JP3559635B2 - エアロゾル分析装置 - Google Patents
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- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種ガス中に含まれるエアロゾルの成分を分析するために適用されるエアロゾル分析装置に係り、特に狭い空間領域におけるエアロゾル測定を容易に、かつ高精度で行えるようにしたエアロゾル分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エアロゾルとは分散媒体が気体（ガス）で、分散質が液体または固体のコロイドを示す。分散質が液体の場合には、エアロゾルは霧、もや、雲、等となり、分散質が固体の場合には、ちり、煙、煙霧、等となり、このエアロゾルの構成成分の測定は、環境状態の評価に重要な意味を持つ。
【０００３】
エアロゾルに対して広範囲領域に対する測定としては、例えば大気汚染測定がある。環境汚染や近年の大気汚染の原因となる車の排気ガスや工業プラントの排煙には、硫黄化合物（ＳＯｘ、Ｈ２Ｓ等）、窒素化合物（ＮＯＸ、ＮＨ３等）、炭化水素等が含まれ、これらは化学反応または光化学反応によって硫酸塩あるいは硝酸塩となり、大気中の水蒸気を吸収して液体状のエアロゾルとなる。このような広範囲領域のエアロゾル計測は、大気汚染の状況把握およびその対策のために非常に重要な技術である。
【０００４】
一方、狭い領域におけるエアロゾル成分の測定例としては、例えば工業用プラントにおける漏洩検出がある。これは、通常密閉されて検出されることのない物質の漏洩等の異常を、エアロゾル検出によって検出するもので、プラントの安全性を維持する上で非常に重要な技術である。その具体的な例として、高速増殖炉におけるナトリウムエアロゾルの検出がある。
【０００５】
高速増殖炉においては、冷却材として金属ナトリウムを使用しており、ナトリウムを収納した容器、機器、配管等からナトリウムが漏洩すると、原子炉の冷却が不可能となる。また、ナトリウムは化学的に活性であり、ナトリウムの漏洩から火災に進展する可能性もある。したがって、ナトリウムは可能な限り、少量の漏洩を短時間で検出できることが望ましい。
【０００６】
このエアロゾルの一般的な測定技術として、広範囲な空間領域測定を主眼においたものでは、レーザレーダによる計測がある。これは、大気中に照射したレーザ光の散乱による戻り光の強度と、その時間とを測定することにより、エアロゾル濃度の高度分布を測定するものである。ただし、この測定はエアロゾルによる戻り光強度が十分でないと測定できず、狭い領域の測定に対しては適用が難しい。したがって、狭い領域の測定には異なった原理による計測が必要である。
【０００７】
この狭い空間領域に対するエアロゾル測定に関する従来技術としては、エアロゾル成分の同定をすることなくエアロゾル量を検出するものと、その成分を測定することができるものとがある。前者の技術としては半導体型、煙感知式等があり、後者の技術としてはレーザ励起型等がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、狭い空間領域を対象としたエアロゾル測定器としては、半導体型や煙感知式等があるが、これらは分析対象以外のエアロゾルや埃でも反応し、分析目的に反して誤動作する可能性がある。
【０００９】
また、従来では分析対象とするエアロゾル成分を選択的に測定するレーザ励起型の検出器が知られているが、これまでの技術ではエアロゾル成分を元素単位に分解するために大型の高周波プラズマ化装置が必要であり、システム全体が大掛かりになるとともに、長期間の耐用寿命が得られない等の問題があった。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、特に狭い空間領域におけるエアロゾル測定を、元素単位に分割するための大掛かりな機構を必要とすることなくコンパクトな構成で、また誤動作のおそれもなく、遠隔操作等によって容易に、かつ高精度で行うことができ、しかも耐用寿命の長期化も図れるエアロゾル分析装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述したように、エアロゾルは、その構成する原子や分子が核となりミクロンサイズまで成長したものであり、その構成物質を計測するためには原子ないしは分子単位までに分解する必要がある。たとえば漏洩したナトリウムは、Ｎａ金属単体、Ｎａ２Ｏ、ＮａＯのエアロゾルとなり、このエアロゾルを原子ないしは分子単位までに分解する方法としてプラズマ化が一般的である。
【００１２】
気体中でパルスレーザ光による強力な電場を集中させることにより、ブレークダウン（気中放電）を生じさせることが可能なことは周知の事実である。この場合、パルスレーザとしてはＱスイッチＹＡＧレーザが代表的なものであるが、ブレークダウン生成のためには、数１００ＭＷ／ｃｍ２〜数ＧＷ／ｃｍ２のレーザ出力密度が達成できるものであれば、どのようなレーザでも適用可能である。
【００１３】
ブレークダウンは、気体中にエアロゾルが存在すると、それによるエネルギ吸収のためにエアロゾルがプラズマ化されることにより促進される。このプラズマからは種々の光が発生するが、それはレーザ照射からの時間とともに変化する。レーザ光照射直後のナノ秒（１０−９ｓ）オーダーより短い時間帯では、プラズマからの白色光が主要な光であるが、マイクロ秒（１０−６ｓ）オーダ近くになると、プラズマ化されたイオンが電子と再結合し、エアロゾルを構成する原子の蛍光が現れ、その後、光は消滅する。
【００１４】
そこで、エアロゾルを含むガスが導入されるサンプリングセルを使用し、エアロゾル成分を元素単位に分解するためにレーザ光の照射、または電気放電によってプラズマを生成させ、これによって生じる特定元素の蛍光を測定するか、あるいは特定元素の励起波長に同調させたレーザ光を照射し、これによって生じるレーザ誘起蛍光を測定することにより、エアロゾル中の特定元素の存在率を測定することが考えられる。
【００１５】
本発明はこの現象を主に利用したもので、エアロゾルを原子化させるための高周波プラズマ化装置のような専用装置を設置することなく、エアロゾル構成原子の蛍光を生成させるためのレーザ光と、エアロゾルをプラズマ化させるためのレーザ光とを兼ねさせる構成とし、エアロゾルの成分元素とその量を、測定される元素特有の波長の蛍光から計測するものである。
【００１６】
すなわち、請求項１の発明に係るエアロゾル分析装置は、エアロゾルを含むガスの出入口および複数の光学窓を有するとともに内部に反応領域を設定したサンプリングセルと、前記ガス中のエアロゾルをプラズマ化させるためのレーザ光を発するブレークダウン用レーザ装置と、このレーザ装置で発したレーザ光を前記サンプリングセルに前記光学窓から導入して前記反応領域に集光させるレーザ光集光手段と、前記反応領域で集光したレーザ光によるエアロゾルのブレークダウンによって発生する蛍光を他の光学窓の部位に集光させる蛍光集光手段と、集光した蛍光を前記他の光学窓から入力してその蛍光の波長分別により前記エアロゾルの構成元素の分析を行う光計測器とを備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
本発明において、レーザ光はナノ秒（１０−９ｓ ）程度のパルス幅を有するパルスレーザ光が効果的である。この場合、レーザ出力が数１００ｍＪ／パルス程度あると、レーザ光の集光の程度によっては集光点での電界強度が数ＭＶ／ｃｍにもなる。また、エネルギー的にも数ＧＷ／ｃｍ２にもなり、レーザ光照射領域に存在するエアロゾルなどは瞬時にプラズマ化される。本発明ではエアロゾルに対してこのようなレーザ光をレーザ装置からサンプリングセルへ伝送し、サンプリングセル外部から光学窓ガラスを介してエアロゾルとの光反応領域へ導光する。サンプリングセル内に封入されたガスは、レーザ光によってプラズマ化され、その構成元素は高励起状態へ励起ないしはイオン化され、それらはその元素の基底状態へある寿命を持って遷移する。その際、元素特有の波長の蛍光を発生するため、その蛍光信号を光検出器によって計測することにより、エアロゾルを構成する元素の含有量を測定することができる。
【００１８】
なお、ブレークダウン用レーザ装置としては、Ｎｄ；ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、銅蒸気レーザ、半導体レーザ、ＣＯ２レーザ、Ｎ２レーザ等が好適である。
【００１９】
また、この蛍光測定において、ブレークダウン用レーザ光の照射タイミングから蛍光測定時間をディレイさせ、測定対象とする元素の蛍光生成量が最も大きい時間のみに蛍光測定用ウィンドウを設けることにより、測定対象元素の検出感度を増加させることが望ましい。
【００２０】
本発明によれば、エアロゾルをレーザ光により遠隔で計測することができ、かつ、複数の検出系を１系統のレーザ装置および信号処理システムで対応が可能となる。また、光による信号伝送を行うため、電磁気的な外来雑音の影響を受けることもない。
【００２１】
なお、ブレークダウンによる元素の励起が十分でない場合や、ブレークダウンで生成しうる励起状態の制限により、生成される蛍光信号が十分でない場合もある。また、分析対象とする元素の蛍光波長が近接する場合には、測定精度が必ずしも十分に得られない可能性がある。このような場合においては、第１のブレークダウン用のレーザ光照射直後に、分析対象とする元素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光を照射し、そこから生じるレーザ誘起蛍光を計測することにより、特定元素の含有量を高精度で評価することが可能となる。
【００２２】
そこで、請求項２の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、エアロゾルをプラズマ化させるためのブレークダウン用レーザ装置に加え、プラズマ化されるエアロゾルの構成元素のうち分析対象とする元素に対応する特定の励起波長を有するレーザ光を発して特定元素の励起により蛍光を生じさせるレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置と、このレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置から発するレーザ誘起蛍光生成用レーザ光を光学窓を介してサンプリングセル内の反応領域に照射する照射手段とを備え、光計測器は、レーザ誘起蛍光強度を波長分別することによりエアロゾルの存在量を測定する機能を有することを特徴とするものである。
【００２３】
本発明において、第２のレーザ光であるレーザ誘起蛍光生成用レーザ光の照射タイミングは、第１のレーザ光であるブレークダウン用レーザ光によるブレークダウン後のプラズマが基底状態に遷移するμｓオーダ後とする。このようにして、単なるブレークダウンでは生成し得ない蛍光も測定できるようになり、極微量のエアロゾルの成分検出も可能となる。
【００２４】
レーザ光によって分解されプラズマ化されたエアロゾルの原子ないし分子の選択的な検出のためには、波長可変レーザ光を用いてその原子ないしは分子の共鳴状態の波長に同調させたレーザ光照射によるレーザ誘起蛍光計測が極めて有効である。例えばエアロゾルの主成分がナトリウムである場合には、照射するレーザ光の波長はいわゆるナトリウムのＤ線（５８９．６ｎｍあるいは５８９．０ｎｍ）に同調させたレーザ光を照射することにより高感度のナトリウム検出が可能となる。その波長可変レーザ光を生成するレーザ光装置としては色素レーザ、または、非線形光学素子を用いた固体レーザ、等、波長可変レーザ、等が適用可能である。
【００２５】
なお、この蛍光測定において、ブレークダウン用レーザ光の照射タイミングからレーザ誘起蛍光生成用レーザ光の照射時間をディレイさせ、測定対象とする元素の蛍光生成量が最も大きい時間にレーザ誘起蛍光測定用レーザ照射時間のウィンドウを設け、これにより測定対象元素の検出感度を増加させることが望ましい。
【００２６】
次に、請求項３の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセル内のレーザ光照射位置にエアロゾルを捕獲するフィルタを設置し、光計測器は、前記フィルタの表面に付着するエアロゾルへのレーザ光照射によって生じるアブレーションプラズマからの蛍光を波長分別してエアロゾルを構成する元素およびその量を分析する機能を有することを特徴とする。
【００２７】
本発明では、エアロゾルをガス流路に設置したフィルタにより捕獲し、この状態でレーザ光を照射し、フィルター表面でアブレーションプラズマを生成させる。この後のプロセスについては第１の発明と同様であり、フィルタに付着したエアロゾルの構成元素は高励起状態へ励起ないしイオン化され、その元素の基底状態へある寿命を持って遷移する。その際、元素特有の波長の蛍光を発生するため、その蛍光信号を光検出器によって計測することにより、エアロゾルを構成する元素の含有量を測定することができる。
【００２８】
ところで、本発明では請求項２の発明と同様に、レーザ光による生成プラズマ内の元素の励起が十分でない場合や、ブレークダウンで生成しうる励起状態の制限で生成される蛍光信号が十分ではない場合、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接する場合には測定精度に問題が生じる場合もある。このような場合においては、請求項２の発明と同様に、第１のブレークダウン用のレーザ光照射直後に、分析対象とする元素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光を照射し、そこから生じるレーザ誘起蛍光を計測することが有効である。
【００２９】
そこで、請求項４の発明は、請求項２記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセル内のレーザ誘起蛍光生成用レーザ光の照射位置にエアロゾルを捕獲するフィルタを設置し、光計測器は、前記フィルタの表面に付着するエアロゾルのレーザ誘起蛍光強度を波長分別することによりエアロゾルの存在量を測定する機能を有することを特徴とする。
【００３０】
これにより、レーザ光による生成プラズマ内の元素の励起を高め、計測に十分な蛍光信号を得ることができ、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接する場合でも測定精度を高めることができる。
【００３５】
請求項５の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置に加え、連続発振レーザ装置と、この連続発振レーザ装置から発するレーザ光を光学窓を介してサンプリングセル内の反応領域に照射する照射手段とを備え、光計測器は、前記サンプリングセル内における前記反応領域での連続発振レーザ光の散乱強度に基づいてエアロゾルの大きさと数とを測定する機能を有することを特徴とする。
【００３６】
本発明によれば、プラズマ発生領域にレーザ散乱計測用のレーザ光を照射することで、反応部におけるエアロゾルの成分およびその絶対量を計測することができる。すなわち、ミクロンサイズの微粒子にレーザ光を照射すると、一般に知られるレイリー散乱あるいはミー散乱によりレーザ光の散乱が生じる。これらの散乱メカニズムは、散乱要因となるエアロゾルの粒子径に依存し、また強度はエアロゾルの数密度に依存する。したがって、レーザ光の散乱強度を測定することによりエアロゾルの数を定量することができ、最近では一般的な計測技術となっている。本発明は、このレーザ散乱計測をその成分評価を結びつけたものであり、反応部におけるエアロゾルの成分の計測制度の向上が図れる。
【００３７】
請求項６の発明は、請求項５記載のエアロゾル分析装置であって、連続発振レーザ装置とレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置とを共に有するものにおいて、前記連続発振レーザ装置で発するレーザ光と前記レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置で発するレーザ光とをサンプリングセルへの導光経路途中で同軸合成する手段と、合成後のレーザ光を前記サンプリングセルに導光して反応領域に照射する照射手段を備えたことを特徴とする。
【００３８】
本発明によれば、光伝送のための光ファイバの本数の削減ができ、システムの簡素化が可能となる。すなわち、請求項５の発明の場合、エアロゾル粒子数計測用のレーザ光としては連続光が好ましいが、その出力はｍＷオーダで十分である。したがって、サンプリングセルまでの光伝送は、レーザ誘起蛍光測定用のレーザ光と同一の光学経路で伝送が可能であり、最も容易な伝送手段は光ファイバである。そこで本発明では、それぞれのレーザ装置からのレーザ光をダイクロイックミラーやハーフミラー等の光合成用光学素子によって同軸上に空間合成し、光ファイバに入射することで、光ファイバ本数の削減等が図れ、システムの簡素化が可能となるものである。
【００３９】
請求項７の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、レーザ装置は１系統設置するとともに、サンプリングセルは複数設置し、前記１系統のレーザ装置から発するレーザ光を前記複数のサンプリングセルへ導光する手段として、光分配器と、この光分配器から各サンプリングセルへの光学経路を構成する複数の光ファイバまたは光ガイドパイプとを備えたことを特徴とする。
【００４０】
本発明では、１系統のレーザ装置からレーザ光を複数のサンプリングセルへ導光する手段を、複数のファイバへ入射可能な光分配器、光分配器からサンプリングセルへの光学経路として光ファイバあるいは光ガイドパイプで構成する。光ガイドパイプの場合、エルボ部分にプリズムあるいはミラーが設置された中空のパイプを用いることが望ましい。
【００４１】
請求項８の発明は、請求項７記載のエアロゾル分析装置において、光分配器は、レーザ光を所定の光ファイバまたは光ガイドパイプの方向に切換えるプリズムまたはミラーと、このプリズムまたはミラーの切換え動作を行うステップモータとを備えたことを特徴とする。
【００４２】
本発明によれば、レーザ光を複数の光ファイバへ入射する光分配器として、プリズムあるいはミラーを有し、これをステップモータにより所望のファイバへ向けることにより、そのファイバへの導光を可能とするものである。なお、ステップモータの回転角度θによって導光するファイバは一義的に決まるため、この角度を計測すれば、どのサンプリングセルの計測を行っているかの確認が可能となる。
【００４３】
請求項９の発明は、請求項７記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセルの設置数よりも光計測器の設置数を少なくし、そのサンプリングセルから光計測器に蛍光を導く光学経路を集合させ、その集合した蛍光を前記光計測器で集中計測するようにしたことを特徴とする。
【００４４】
本発明によれば、サンプリングセル数よりも少ない数の光計測装置で集中計測することで、構成の簡素化が図れるようになる。
【００４５】
請求項１０の発明は、請求項９記載のエアロゾル分析装置において、複数のサンプリングセルからの蛍光を光計測器に導く光学経路は、複数の光ファイバと、この複数の光ファイバからの蛍光を一点に集光し得る光分配器と、集光した蛍光を導光する１系統の光ファイバまたは光ガイドパイプとを有することを特徴とする。
【００４６】
サンプリングセル内でレーザ光によるブレークダウンを生じさせるためには、ｍＪ／パルス程度の高出力レーザを伝送させる必要がある。本発明では、光ファイバないし中空の光ガイドパイプによるレーザ光の伝送を行うことで、レーザ装置から離れた場所に設置したサンプリングセルでの計測が可能となり、遠隔操作性を持たせることができる。なお、光ファイバを使用するか光ガイドパイプを使用するかについては、レーザ光の伝送効率や耐レーザ強度、あるいは使用環境条件等を考慮して選択すればよい。例えば、ブレークダウンさせるためのレーザ光強度が光ファイバの耐レーザ光強度を越えるような場合には、光ガイドパイプを用いることが望ましい。
【００４７】
請求項１１の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、レーザ装置からサンプリングセルまでレーザ光を導く光学経路と、前記サンプリングセルから光計測器まで蛍光を導く光学経路とを、共通な光学経路として構成し、その共通な光学経路は、レーザ光と蛍光とを分ける手段としてダイクロイックミラーを有することを特徴とする。
【００４８】
本発明の前提となるレーザ光の伝送は最大の組合せで、（１）プラズマ発生のためのブレークダウン用レーザ光、（２）レーザ誘起蛍光生成用レーザ光、（３）エアロゾル数密度計測のための連続発振レーザ光の３つの組合せがある。また、蛍光伝送として、（４）エアロゾルの成分対応のレーザ誘起蛍光、（５）エアロゾルの数密度評価用の散乱光の２つがある。
【００４９】
これらの光は、波長やパルス波形、出力など異なるが、それぞれの伝送用の光学経路はそれぞれ独立に取る必要はなく、むしろ同一経路で伝送出来るものはそうした方がよりシステムを簡素化出来る。このため本発明では、サンプリングセルで照射するレーザ光と、これによって生じる蛍光とをを導光するための光学経路を共有するものとし、その端部等において照射レーザ光と蛍光を分けるためのダイクロイックミラーを有するものとしている。ただし、これらの構成については、分析対象のエアロゾルの特性によってレーザ光の波長か測定する蛍光波長等に応じたシステムとして最適な構成があり、対象に応じて最適化させるべきものである。
【００５０】
請求項１２の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、光学経路を多バンドル光ファイバで構成し、その多バンドル光ファイバ部の一部をレーザ装置からサンプリングセルまでレーザ光を導く光学経路として適用し、残りの部分を前記サンプリングセルから光計測器まで蛍光を導く光学経路として適用したことを特徴とする。
【００５１】
本発明においては、例えば多バンドル光ファイバの一部をレーザ光の伝送用に、また残りのファイバを蛍光伝送用とし、本体部は１本で両端をそれぞれの機能毎に分割してバンドル化する。こうすることにより、レーザ装置および光計測器側と、サンプリングセル側との間の光ファイバは一本化できる。
【００５２】
請求項１３の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセル内の反応領域で発生する蛍光を集光させる蛍光集光手段は、そのサンプリングセルの内部に設けた反射装置または外部に設けたレンズ装置であることを特徴とする。
【００５３】
光反応部で生成する蛍光の計測は、高感度であればあるほどエアロゾルの組成元素の検出が高感度になる。したがって、発生する蛍光の検出によってカバーする立体角は大きいほど好ましい。本発明では、プラズマ発生点から生じる蛍光をサンプリングセル外部の蛍光伝送系への集光効率を増加させるため、サンプリングセル内部あるいは外部にエアロゾルを含むガスとレーザ光の反応点からの蛍光を集光する集光手段を設けたものである。集光手段としては、凹面ミラーあるいは凸レンズ等が好適である。これにより、蛍光検出系の有する立体角を増加させることができ、検出感度を大きく引き上げることが可能となる。
【００５５】
プラズマ発生のためのレーザ光強度が強ければ、プラズマ化は容易に行われるが、その反面レーザ装置や光伝送系などへの仕様への要求が難しくなる。したがって、エアロゾル検出システムにおけるプラズマ生成用レーザはその出力が低くできれば好ましい。このため、本発明では照射したレーザ光を有効利用するために、サンプリングセルの内部で多重反射させ、複数回にわたってレーザ光の集光領域にレーザ光を集光させるものである。こうすることにより、少ないレーザ出力で効果的にブレークダウンを生じさせることができる。
【００５６】
請求項１４の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセルはエアロゾルを含むガスを導入するための複数のエアロゾル導入口を間隔的に有するものであり、レーザ光集光手段はレーザ光集光位置を前記の各エアロゾル導入口の位置に移動する集光位置調整機能を有することを特徴とする。
【００５７】
サンプリングセルにエアロゾルを供給する複数のサンプリング配管を設ければ複数点のモニタが１つのサンプリングセルで可能となる。そこで本発明では、レーザ光の集光点を順次サンプリング配管からのエアロゾル導入口に集光照射するようにし、そこでの蛍光を計測することで、１つのサンプリングセルで複数のサンプリング配管から導入されるエアロゾルの分析が可能となる。
【００５８】
請求項１５の発明は、請求項１４記載のエアロゾル分析装置において、集光位置調整機能を有するレーザ光集光手段は、照射するレーザ光の焦点を各サンプリング配管のエアロゾル導入口の位置に順次調節することが可能な複合レンズ装置であることを特徴とする。
【００５９】
複数のサンプリング配管を設置したサンプリングセルにおいては、サンプリング配管のエアロゾル導入口の配列が例えばライン状に配置されているものであれば、複合レンズ装置によって、例えば順次焦点位置をエアロゾル導入口の位置に変化させることで対応が可能となる。このようにして、１つのサンプリングセルで複数のサンプリング配管から導入されるエアロゾルの分析を行うが可能となる。
【００６０】
請求項１６の発明は、請求項１４記載のエアロゾル分析装置において、集光位置調整機能を有するレーザ光集光手段は、照射するレーザ光の向きを各サンプリング配管のエアロゾル導入口の位置に順次調節することが可能な回転式の反射ミラーまたはプリズムであることを特徴とする。
【００６１】
複数のサンプリング配管を設置したサンプリングセルにおいては、サンプリング配管のエアロゾル導入口の配列が、例えば同心円上で径方向に向けて設置されているものであれば、レーザ光の焦点位置は変更する必要がなく、レーザ光の光路変更を反射ミラーまたはプリズムで行うことができる。このようにして１つのサンプリングセルで、複数のサンプリング配管からのエアロゾルの分析が行えるようになる。
【００６２】
請求項１７の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、蛍光発生状況をモニタする画像処理装置と、レーザ光の焦点位置、プラズマ生成状況、蛍光発生位置等の情報をモニタする手段とを備えたことを特徴とする。
【００６３】
本発明において、サンプリングセル内の蛍光発生状況は、ＣＣＤカメラ等の画像処理装置にてモニタすることにより、レーザ光の焦点位置、プラズマ生成状況、蛍光発生位置等の情報が得られ、検出装置の稼働状況を常時モニタすることが可能となる。また、複数のサンプリング配管を具備するサンプリングセルにおいては蛍光の生成位置の画像データを得ることにより、どの配管からのエアロゾルを測定したかの情報も得ることが可能となる。
【００６６】
請求項１８の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置に加え、模擬エアロゾルを発生させる模擬エアロゾル生成器と、この模擬エアロゾル生成器で発生した模擬エアロゾルをサンプリングセルまたはサンプリング用の配管に導入する導入機構とを備えたことを特徴とする。
【００６７】
本発明によると、サンプリングセルの較正用の模擬エアロゾルを導入することにより、定期点検の際の較正が、サンプリングセルまたはサンプリング用の配管を設置した実際の配管等の現場で可能となるばかりでなく、サンプリングセルがエアロゾルを異常検知した際の確認を行うことも可能となる。
【００６８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態で示すエアロゾル分析装置は、例えば高速増殖炉のナトリウムを内包する容器、機器、配管等からのナトリウム漏洩検出、工場排煙中の微量金属検出等に適用されるものである。
【００６９】
図１は本発明の第１実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。
【００７０】
本実施形態のエアロゾル分析装置は図１に示すように、ブレークダウン生成用レーザ装置１を備えており、このブレークダウン生成用レーザ装置１から発したレーザ光５が光分配器３、入力端子４ａ、光ファイバ４および出力端子４ｂを経て球状のサンプリングセル６の内部に、光学窓７ａを介して入射されるようになっている。このレーザ光入射用の光学窓７ａはサンプリングセル６の側面側の上部近傍位置に設けられ、レーザ光５は光学窓７からサンプリングセル６の内部に斜め下方に向かって照射されるようになっている。光学窓７の外側には、レーザ集光手段としての集光レンズ８が設けられ、この集光レンズ８によって、光ファイバ４から出射されたレーザ光５がサンプリングセル６の内部の一箇所、例えば底部近傍に集光されるようになっている。
【００７１】
分析対象となるナトリウム等のエアロゾル９を含むガスは、サンプリングセル６の上部に設けたエアロゾル導入口１０を介してサンプリングセル６内に下方に向って導入されるようになっている。そして、エアロゾル導入口１０と対向するサンプリングセル６の底部位置にエアロゾル排出口１１が設けられ、エアロゾル９を含むガスは、このエアロゾル排出口１１を介して外方に流下して排出されるようになっている。前述した集光レンズ８の焦点位置は、このエアロゾル排出口１１の近傍に設定されており、この焦点位置の領域が反応領域（本実施形態では光反応領域）とされている。
【００７２】
そして、サンプリングセル６内でエアロゾル導入口１０からエアロゾル排出口１１に流れるエアロゾル９は、集光レンズ８の焦点位置で光反応し（以下、この位置を光反応点１２という）、励起によるプラズマ化でブレークダウンを生じ、これにより蛍光１３が発せられるようになっている。
【００７３】
サンプリングセル６の内部には、蛍光集光手段としての蛍光集光ミラー１４が固定配置されている。この蛍光集光ミラー１４は、内面を反射面とする椀形の凹面鏡状のものであり、その底部位置に孔１４ａが形成されている。そして、この蛍光集光ミラー１４は、その底部が光学窓７ａに対向する状態で斜め下向きに配置され、その軸心がレーザ光５の導光軸心と一致するようになっている。
【００７４】
これによりレーザ光５は、蛍光集光ミラー１４の底部の孔１４ａを貫通して、サンプリングセル６内に導入され、斜め下向きとなった蛍光集光ミラー１４の大径開口部側の内側下方で集光し、ここでエアロゾル９との光反応によって蛍光１３が生じるようになっている。蛍光１３は図１に破線矢印で示すように、蛍光集光ミラー１４の内面で反射して、サンプリングセル６の斜め下方の周壁近傍で集光するようになっている。
【００７５】
この蛍光１３の集光位置に第２の光学窓７ｂが設けられ、この光学窓７ｂに臨んで蛍光伝送用光ファイバ１５の入力端子１５ａが配設されている。そして、蛍光１３は蛍光伝送用光ファイバ１５を介して外部に伝送された後、出力端子１５ｂから蛍光分配器１６を経て、光計測器１７に入射されるようになっている。
【００７６】
本実施形態においては、レーザ装置１から例えば１０−９ｓのパルス幅を有するパルスレーザ光２が出力１００ｍＪ／パルスで発せられ、このレーザ光２が光ファイバ４を介してサンプリングセル６に伝送され、集光レンズ８によってサンプリングセル６内の集光点（光反応点１２）で集光される。
【００７７】
ここで電界強度は数ＭＶ／ｃｍとなり、レーザ光照射領域に存在するエアロゾル９は瞬時にプラズマ化され、エアロゾル９の構成元素は高励起状態で励起ないしイオン化されて基底状態へ遷移し、その際に元素特有の光反応点１２で蛍光１３が発せられる。
【００７８】
光反応点１２で発した蛍光１３は、蛍光集光ミラー１４の内面で反射して一点に集光され、第２の光学窓７ｂから蛍光伝送用光ファイバ１５を介して光計測器１７に入力されて計測が行われ、エアロゾル９を構成する元素の含有量が測定される。本実施形態においては、光計測器１７が例えばバンドパスフィルタを設置した光電子増倍管、または分光器が適用されている。前者のバンドパスフィルタにおいては、単一の元素の測定のみ可能である。また、後者の光電子増倍管の場合には、蛍光波長を分光することにより同時にエアロゾルを構成する元素を分析することが可能である。この光計測においては、測定の時間タイミングでゲート設定器によりゲート処理が行われ、測定対象とする元素に対して最も感度の高い時間設定をすることにより、Ｓ／Ｎ比を改善することが可能となっている。
【００７９】
なお、レーザ光５によるプラズマ生成のポイントは、パルスあたりのエネルギおよびパルス時間で定まる。本実施形態ではプラズマ生成用レーザ光のパルスエネルギが最高で数１００ｍＪ程度である。パルス幅はナノ秒（１０−９ｓ）オーダ、あるいはそれ以下である。また、ブレークダウン用レーザ装置１は、Ｎｄ；ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、銅蒸気レーザ、半導体レーザ、ＣＯ２レーザ、Ｎ２レーザ等が適用されている。
【００８０】
以上の第１実施形態によれば、エアロゾル９をレーザ光５により遠隔で計測することができ、かつ、複数の検出系を１系統のレーザ装置１および信号処理システムで対応が可能となる。また、光による信号伝送を行うため、電磁気的な外来雑音の影響を受けることもない。
【００８１】
図２は本発明の第２実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。
【００８２】
本実施形態のエアロゾル分析装置は基本的に前記の第１実施形態と同様であるが、これにレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８を付加したものである。即ち、サンプリングセル６には、その内部の光反応点１２を通る直線上の位置に第３の光学窓７ｃおよび第４の光学窓７ｄが設けられている。そして、レーザ誘起蛍光生成用のレーザ装置１８から発したレーザ光１９が光分配器２０、入力端子２１ａ、光ファイバ２１および出力端子２１ｂを介し、第３の光学窓７ｃからサンプリングセル６内に入射されるようになっている。なお、本実施形態において、前記第１実施形態と同様の構成部分には、図２の対応部分に図１と同一の符号を付して説明を省略する。
【００８３】
本実施形態においては、レーザ光１９を測定対象とする元素の検出感度が最も高い波長に同調させる。例えば、エアロゾルの成分がナトリウムである場合には、Ｄ線として有名な５８９．５ｎｍあるいは５８９．０ｎｍの波長に同調させる。このレーザ光１９は、光分配器２０および光ファイバ２１を経て、光反応部１２へ照射される。ここで生成されるレーザ誘起蛍光は集光ミラー１４で集光され、光計測器１７で検出される。レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８として波長可変レーザ光を生成するレーザ光装置には、色素レーザ、非線形光学素子を用いた固体レーザ等が好適である。
【００８４】
また、レーザ光１９によって生成したプラズマからの蛍光ないし生成直後の波長可変レーザ光の照射によって生じるレーザ誘起蛍光を計測する前記の光計測器１７には、バンドパスフィルタを設置した光電子増倍管、光電子増倍管やＣＣＤ検出器を設置した分光器等が適用される。これらの装置により元素特有の波長を分別して計測することが可能で、エアロゾルを構成する元素およびその量を選択的に分析することができる。
【００８５】
この第２実施形態によれば、ブレークダウン用の第１のレーザ光の照射直後に、分析対象とする元素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光を照射し、そこから生じるレーザ誘起蛍光を計測することにより、特定元素の含有量を高精度で評価することが可能となる。この場合の第２のレーザ光の照射タイミングは第１のレーザ光によるブレークダウン後のプラズマが基底状態に遷移するμｓオーダ後とする。このようにして、単なるブレークダウンでは生成し得ない蛍光も測定できるため、極微量のエアロゾルの成分検出も可能となる。
【００８６】
したがって、本実施形態ではブレークダウンによる元素の励起が十分でない場合やブレークダウンで生成しうる励起状態の制限で生成される蛍光信号が十分でない場合、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接して測定精度に問題が生じるような場合に特に有効である。
【００８７】
図３は本発明の第３実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図３にはサンプリングセル６の構成を拡大して示している。その他の構成は図１に示した第１実施形態と同様であるから説明を省略する。
【００８８】
本実施形態では、サンプリングセル６内にエアロゾルを捕獲するフィルタ２２が、エアロゾル９の流路とプラズマを生成用のレーザ光５の光路との交差点、すなわち光反応点１２を含む位置に設置されている。この光反応点１２で生成される蛍光１３は、集光ミラー１４により蛍光計測用光ファイバ１５に導光され、前記各実施形態と同様に分光されるようになっている。
【００８９】
エアロゾル捕獲用のフィルタ２２としては、一般のＨＥＰＡフィルタでも可能であるが、微細金属粉末を焼結した多孔質金属（例えば多孔質タングステン）が長期間のレーザ照射に好適である。
【００９０】
本実施形態によると、エアロゾル９を含むガスを単に気中放電させる前記第１実施形態と異なり、エアロゾル９をガス流路に設置したフィルタ２２により捕獲し、この状態でレーザ光５を照射し、フィルタ２２の表面でプラズマを生成させるので、光反応がより効率的に行われる。
【００９１】
この後のプロセスについては第１実施形態と同様であり、フィルタ２２に付着した元素はプラズマ化され、その構成元素は高励起状態へ励起ないしはイオン化され、それらはその元素の基底状態へある寿命を持って遷移する。その際、元素特有の波長の蛍光を発生するため、その蛍光信号を光計測器１７によって計測することによりエアロゾルを構成する元素の含有量を測定することができる。
【００９２】
図４は本発明の第４実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図４にはサンプリングセル６の構成を拡大して示している。その他の構成は図２に示した第２実施形態と同様であるから説明を省略する。
【００９３】
本実施形態のエアロゾル分析装置は、第２実施形態の構成に加え、サンプリングセル６内のレーザ誘起蛍光生成用レーザ光１９の照射位置に、エアロゾル９を捕獲するフィルタ２２が設置されている。そして光計測器１７は、フィルタ２２の表面に付着するエアロゾル９のレーザ誘起蛍光強度を波長分別することによりエアロゾル９の存在量を測定する機能を有する構成とされている。
【００９４】
このような第４実施形態の構成によれば、第３実施形態の装置でレーザ光による生成プラズマ内の元素の励起が十分でない場合や、ブレークダウンで生成しうる励起状態の制限で生成される蛍光信号が十分ではない場合、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接して測定精度に問題が生じる場合等において、第１のブレークダウン用のレーザ光５の照射直後に、分析対象とする元素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光１９を照射し、そこから生じるレーザ誘起蛍光１３を計測することで、レーザ光による生成プラズマ内の元素の励起を高め、計測に十分な蛍光信号を得ることができ、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接する場合でも測定精度を高めることができる。
【００９５】
図５は本発明の第５実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図５でもサンプリングセル６の構成を拡大して示している。
【００９６】
本実施形態のエアロゾル分析装置では、前記各実施形態のものと異なり、プラズマ生成用レーザ光照射に代えて、放電電極により電極間に導入したエアロゾルを含むガス中で電気放電を発生させるようになっている。
【００９７】
すなわち、図５に示すように、サンプリングセル６にエアロゾル９を含むガスの出入口１０，１１と、蛍光を取出すための一つの光学窓７ｂとが設けられている。サンプリングセル６の内部に反応領域が設定されるとともに、前記各実施形態と同様の蛍光集光手段としての蛍光集光ミラー１４が設置されている。
【００９８】
そして、サンプリングセル６内の反応領域に、電圧印加によってガス中のエアロゾル９をプラズマ化させる１対の放電電極２３が設けられている。この放電電極には、図示しない外部電源から高圧電流が供給され、例えばパルス的な電気放電が行われる。この放電電極２３によるエアロゾル９のプラズマ化によって発生する蛍光１３が、前記の蛍光集光ミラー１４によって光学窓７ｂの部位に集光されるようになっている。集光された蛍光は、光学窓７ｂから蛍光伝送用光ファイバ１５を介して図示しない光計測器に入力されて計測され、エアロゾル９を構成する元素の含有量が測定される。
【００９９】
このような構成の本実施形態によれば、プラズマ生成用レーザ光照射の代わりに、放電電極２３によるパルス的な放電によって、サンプリングセル６内に導入したエアロゾル９を含むガス中で電気放電を発生させ、ここで発生する蛍光を波長分別可能な光計測器により、エアロゾルを構成する元素およびその量を計測することができる。本実施形態では、放電用の電源が必要となるが、ブレークダウン用レーザとその伝送用の光学経路は不要となる。
【０１００】
図６は本発明の第６実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図６でもサンプリングセル６の構成を拡大して示している。
【０１０１】
本実施形態のエアロゾル分析装置は、第５実施形態の構成に加え、サンプリングセル６内の放電電極２３の放電位置に、図２に示したものと同様のレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置（図示省略）からレーザ光１９が照射されるようになっている。その他の構成は、図５に示した第５実施形態と略同様である。なお、図示しない光計測器は、エアロゾル９のレーザ誘起蛍光強度を波長分別することにより、エアロゾル９の存在量を測定する機能を有する構成とされている。
【０１０２】
このような第６実施形態の構成によれば、第５実施形態の装置で生成プラズマ内の元素の励起が十分でない場合等において、放電直後に分析対象とする元素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光１９を照射し、そこから生じるレーザ誘起蛍光１３を計測することで、生成プラズマ内の元素の励起を高め、計測に十分な蛍光信号を得ることができ、測定精度を高めることができる。
【０１０３】
なお、本実施形態において、電気放電によって生成したプラズマからの蛍光ないしはその生成直後の波長可変レーザ光の照射によって生じるレーザ誘起蛍光の計測を行うための光計測器には、バンドパスフィルタを設置した光電子増倍管、光電子増倍管、あるいはＣＣＤ検出器を設置した分光器等が適用できる。
【０１０４】
図７は本発明の第７実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。本実施形態は、図２に示した第２実施形態の装置に、レーザ散乱強度測定用の連続発振レーザ装置を付加し、光反応点にレーザ散乱強度測定用のレーザ光を照射するようにしたものである。
【０１０５】
即ち、本実施形態では図７に示したように、サンプリングセル６に、その内部の光反応点１２を通る直線上の位置に第５の光学窓７ｅおよび第５の光学窓７ｆが設けられている。そして、レーザ散乱強度測定用の連続発振レーザ装置２４から発したレーザ光２５が入力端子２７ａ、光ファイバ２７および出力端子２７ｂを介し、第５の光学窓７ｅからサンプリングセル６内に入射されるようになっている。そして、光計測器は、サンプリングセル６内における光反応点１２での連続発振レーザ光２５の散乱強度に基づいて、エアロゾル９の大きさと数とを測定する機能を有する構成とされている。なお、他の構成については、前記第２実施形態と略同様であるから、図７の対応部分に図２と同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０６】
本実施形態によれば、プラズマ発生領域にレーザ散乱計測用のレーザ光２５を照射することで、光反応部１２におけるエアロゾル９の成分およびその絶対量を計測することができる。すなわち、ミクロンサイズの微粒子にレーザ光２５を照射することで、レイリー散乱あるいはミー散乱によりレーザ光２５の散乱が生じ、その散乱メカニズムは散乱要因となるエアロゾルの粒子径に依存し、また強度はエアロゾル９の数密度に依存するので、レーザ光２５の散乱強度を測定することにより、エアロゾル９の数を定量することができる。したがって、本実施形態によれば、レーザ散乱計測をその成分評価を結びつけることにより、光反応部１２におけるエアロゾル９の成分の計測制度の向上が図れるものである。
【０１０７】
図８は本発明の第８実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。
【０１０８】
本実施形態は、図７に示した第７実施形態の装置と同様に、連続発振レーザ装置２４とレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８とを共に有するものであるが、連続発振レーザ装置２４で発するレーザ光２５とレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８で発するレーザ光１９とをサンプリングセル６への導光経路途中で同軸合成する手段として、ダイクロイックミラー２６（またはハーフミラー）が設けられている。また、合成後のレーザ光１９，２５をサンプリングセル６に導光して光反応点１２に照射する照射手段として、入力端子２８ａ、光ファイバ２８および出力端子２８ｂが設けられている。他の構成については、第７実施形態と略同様であるから、図８の対応部分に図７と同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０９】
本実施形態によれば、レーザ散乱強度測定用のレーザ光２５とレーザ誘起蛍光計測用のレーザ光１９とがダイクロイックミラー２６で合成され、光ファイバ２８を経て光反応部１２へ照射される。そして、散乱光は集光ミラー１４で集光されて光ファイバ１５を介して光計測装置１７に導かれ、ここで照射したレーザ波長における散乱強度が計測される。したがって、光伝送のための光ファイバの本数の削減ができ、システムの簡素化が可能となる。
【０１１０】
図９（ａ），（ｂ），（ｃ）は、以上の各実施形態におけるレーザ光の照射タイミングの概念図を示したものである。図９（ａ）はプラズマ生成用レーザ光
（ブレークダウン用レーザ光）５の照射タイミングａを示し、同図（ｂ）はレーザ誘起蛍光計測用のレーザ光１９の照射タイミングｂを示し、同図（ｃ）はエアロゾル量の計測用のレーザ光（レーザ散乱計測用の連続発振レーザ光）２５の照射タイミングｃを示している。
【０１１１】
これらの図中において、Δｔ１はプラズマ生成用レーザ光２５の時間間隔を示したもので、たとえば１０Ｈｚの繰り返しでエアロゾル計測をする場合には０．１秒となる。また、Δｔ２はレーザ誘起蛍光計測用のレーザ光１９のプラズマ生成用レーザ光５の照射タイミングからの遅れであり、これは生成されるプラズマの状況に応じてナノ秒からマイクロ秒のオーダまで様々である。この決定はサンプリングするエアロゾルを構成する原子がプラズマ化されてから原子状態に至る時間とプラズマからの白色光（バックグラウンド光）の減衰時間によって行われる。
【０１１２】
図１０は本発明の第９実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特に光学経路の構成を示す図であり、図１１は図１０のＡ矢視図である。
【０１１３】
本実施形態は、図示しないが前記実施形態によるレーザ装置１，１８，２４を基本的に１系統設置するとともに、サンプリングセル６を複数設置する場合において、その光学経路の構成についてのものである。即ち、本実施形態では１系統のレーザ装置から発するレーザ光５（１９，２５）を複数のサンプリングセルへ導光する手段として、光分配器２９と、この光分配器２９から各サンプリングセルへの光学経路を構成する複数の光ファイバ４（２１，２７）とを備えたものである。
【０１１４】
そして本実施形態では、光分配器２９が、レーザ光５（１９，２５）を集光するコリメータレンズ３０と、このコリメータレンズ３０によって集光したレーザ光５（１９，２５）を所定の光ファイバ４（２１，２７）の方向に切換えるプリズムまたはミラー３２と、このプリズムまたはミラー３２の切換え動作を行うステップモータ３１とを備えた構成とされている。
【０１１５】
このような構成によると、レーザ光５（１９，２５）をコリメータレンズ３０によって集光した後、光分配器２９としてのプリズムまたはミラー３２を介して、複数の光ファイバ４（２１，２７）へ選択的に入射することができ、光学経路の構成ひいてはシステム構成の簡素化が図れるようになる。しかも、ミラー３２をステップモータ３１により所望の光ファイバ４（２１，２７）へ任意に向けるようにしたので、光ファイバ４（２１，２７）への導光の切換えが容易かつ確実に行える。なお、ステップモータ３１の回転角度θによって導光する光ファイバ４（２１，２７）が一義的に定まるため、この回転角度θを計測すれば、どのサンプリングセルの計測を行っているかの確認が可能となる。
【０１１６】
図１２は本発明の第１０実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特に光学経路の構成を示す図であり、図１３は図１２のＢ矢視図である。
【０１１７】
本実施形態では、図１０および図１１に示した第９実施形態の光ファイバ４（２１，２７）に代えて、光学経路を光ガイドパイプ３３としたものである。この光ガイドパイプ３３は、パイプ内面にアルミニウム等の光学メッキを施し、経路局部となるエルボ部分には、反射プリズム３４または反射ミラー３５等の光学反射体を設置した構成とされている。他の構成については、前記第９実施形態と略同様であるから、図１２および図１３の対応部分に図１０および図１１と同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１８】
このような構成の第１０実施形態によっても、前記第９実施形態と同様に、光学経路の切換えの容易化およびシステム構成の簡素化等の作用効果が奏される。図１４は本発明の第１１実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特に蛍光伝送用の光学経路の構成を示す図である。
【０１１９】
本実施形態では図１４に示すように、蛍光伝送用光学経路が、図示しない複数のサンプリングセル６から蛍光１３を一点に向かって導く複数の光ファイバ１５と、この各光ファイバ１５の出力端子１５ｂの向く位置に配置された光分配器３６とを備えている。光分配器３６は、前記のレーザ光を導光するための光学経路と同様に、各光ファイバ１５の向きに対して回動可能なプリズムまたはミラー３７と、このプリズムまたはミラー３７の切換え動作を行うステップモータ３８とを有している。プリズムまたはミラー３７から出射される蛍光１３は、コリメータレンズ３９で集光された後、一本の光ファイバ１５の入力端子１５ａに入射され、図示しない光検出器１７に導かれるようになっている。
【０１２０】
このような構成によると、蛍光１３の伝送のための光学経路についても、複数のサンプリングセル６に対して少数の光計測器１７が適用でき、光計測系統における機器の効率化が図れるとともに、その光学経路の切換え動作も容易かつ確実に行える等の作用効果が奏される。
【０１２１】
なお、本実施形態の光学経路についても、光ファイバ１５に代えて光ガイドパイプを適用することができるのは勿論である。
【０１２２】
図１５は本発明の第１２実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示すシステム構成図である。本実施形態では、３系統のサンプリングセル６ａ，６ｂ，６ｃと、各１系統のブレークダウン用レーザ装置１、光計測器１７、レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８および連続発振レーザ装置２４とが、光ファイバ４ｂ，１５ｂ，２８ｂで接続されている。
【０１２３】
このシステム構成に、上述した図１０〜図１４に示す実施形態の光学経路構成が適用されている。即ち、各サンプリングセル６ａ，６ｂ，６ｃから導かれる各３本の光ファイバ４，１５，２８がそれぞれまとめられ、これらに光分配器２９，３６が適用されて光学経路が構成されている。なお、レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８と連続発振レーザ装置２４とはダイクロイックミラー２６によって同軸上で合成され、図７に示した前記の第７実施形態の構成が採用されている。
【０１２４】
このような構成の第１２実施形態によると、サンプリングセル６の設置数よりも各レーザ装置１，１８，２４および光計測器１７の設置数が少なく、システム全体としての構成が簡素化できる。なお、サンプリングセル６の設置数および各レーザ装置１，１８，２４および光計測器１７の設置数は図１５に示したもの以外に各種選定できることは勿論である。
【０１２５】
図１６は本発明の第１３実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示すシステム構成図である。
【０１２６】
本実施形態のエアロゾル分析装置は、一つのサンプリングセル６に対し、高出力レーザ装置４０および低出力レーザ装置４１からレーザ光が供給される２系統レーザ光供給タイプのものである。これら各レーザ装置４０，４１から発振するレーザ光は、ダイクロイックミラー４２および１本の光ファイバ４３を経てサンプリングセル６側に導光されるようになっている。そして、光ファイバ４３の先端側では、別のダイクロイックミラー４４によって光出力端子４５および低出力端子４６に導かれ、サンプリングセル６に対して２系統で入射されるようになっている。
【０１２７】
また、一つの光計測器１７および蛍光入力用端子４７が設けられ、サンプリングセル６側から蛍光入力用端子４７を介して入力される蛍光も、ダイクロイックミラー４４、同一の光ファイバ４３およびダイクロイックミラー４２を経て光計測器１７側に導光されるようになっている。なお、レーザ誘起蛍光計測用レーザ光の波長と蛍光計測波長が同一である場合には、ダイクロイックミラーを部分反射ミラーに置換することで対応できる。
【０１２８】
このような構成によれば、簡素化されたシステム構成で、高低２系統のレーザ出力および蛍光受信が効率よく行える。
【０１２９】
図１７は本発明の第１４実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示すシステム構成図である。
【０１３０】
本実施形態でも前記の第１３実施形態と同様に高低出力レーザ装置４０，４１を有する２系統タイプとされているが、前記のものと異なり、高出力レーザ装置４０から発振されるレーザ光のみが、光ガイドパイプ４８を介してサンプリングセル６側に導光されるようになっている。その他の構成は第１３実施形態と略同様であるから、図１７に図１６と同一符号を付して説明を省略する。
【０１３１】
このような構成によっても、第１３実施形態と略同様の効果が奏されるが、高出力レーザ装置４０から発振されるレーザ光を光ガイドパイプ４８を介して伝送するようにしたことにより、より高出力のレーザ光の伝送が確実に行える。なお、光ファイバを使用するか光ガイドパイプを使用するかについては、レーザ光の伝送効率や耐レーザ強度、あるいは使用環境条件で選択すればよい。例えば、ブレークダウンのためのレーザ光強度が光ファイバの耐レーザ光強度を越えるような場合には、光ガイドパイプを用いることが望ましい。
【０１３２】
図１８は本発明の第１５実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特に光ファイバの構成を示す図である。
【０１３３】
本実施形態では、光学経路を構成する光ファイバが、複数の独立したファイバ要素を束ねた多バンドル光ファイバ４９とされている。この多バンドル光ファイバ４９の各ファイバ要素は、例えば太径単一光ファイバ５０、細径単一光ファイバ５１および細径多芯光ファイバ５２からなり、それらの両端はホルダによって個別に被覆されて独立状態となっているが、途中の部分は１本のバンドルにまとめられている。そして、これらの各光ファイバ５０，５１，５２によって、それぞれレーザ光および蛍光の伝送を行うようになっている。即ち、太径単一光ファイバ５０によってブレークダウン用レーザ光の伝送を行い、また細径単一光ファイバ５１によってレーザ誘起蛍光生成用およびエアロゾル量計測用の連続発振レーザの伝送を行い、さらに細径多芯光ファイバ５２によって蛍光伝送を行うようになっている。
【０１３４】
このような本実施形態の多バンドル光ファイバ４９を使用することにより、レーザ装置および光計測器側と、サンプリングセル側との間の光学経路を構成する光ファイバを１本化することができ、構成の簡素化が図れる。
【０１３５】
図１９は本発明の第１６実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成を示す図である。
【０１３６】
本実施形態では、エアロゾル９を含むガスとレーザ光５との反応領域である光反応点１２で発生する蛍光１３を集光させる蛍光集光手段を、サンプリングセル６の内部に設けた蛍光集光ミラー１４としたものである。この蛍光集光ミラー１４は凹面鏡状のもので、サンプリングセル６の内面に沿う半径を有し、光反応点１２の上側に位置してサンプリングセル６の内部空間の略半分程度を覆う構成とされている。この蛍光集光ミラー１４の形状は、図１に示した第１実施形態の説明で詳述したものと略同様であり、斜め上向きの底部の孔１４ａからレーザ光５およびエアロゾル９が下向きに通過し得るとともに、光反応点１２で発生した蛍光１３の反射による焦点が蛍光計測用光ファイバ１５の入力端子１５ａ位置となるように設定されている。
【０１３７】
このような構成により、蛍光検出系の有する立体角を増加させることができ、検出感度を増加させることが可能となる。
【０１３８】
図２０は本発明の第１７実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成を示す図である。
【０１３９】
本実施形態では、光反応点１２で発生する蛍光１３を集光させる蛍光集光手段を、サンプリングセル６の外部に設けた集光レンズ４５としたものである。この場合、集光レンズ４５に蛍光１３を十分集光させるために、サンプリングセル６の光学窓は広い面積を有する構成とすることが望ましい。そして、集光レンズ４５の外側の焦点位置に蛍光計測用光ファイバ１５の入力端子１５ａが配置されて、その光ファイバ１５内で蛍光が導光されるようになっている。
【０１４０】
このような構成によっても、蛍光検出系の有する立体角を増加させることができ、検出感度を増加させることが可能となる。本実施形態の場合は、蛍光集光手がサンプリングセル６の外部に配置されるので、構成が簡素化できる利点がある。
【０１４１】
図２１は本発明の第１８実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成を示す図である。
【０１４２】
本実施形態では、サンプリングセル６が箱形とされ、その上下壁部にエアロゾル９を含むガスの出入口１０，１１が設けられるとともに、上壁部および周壁部に複数の光学窓７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが設けられている。また、内部空間にはエアロゾルの流動方向と交差するように、例えば水平にフィルタ２２が設けられている。このように、本発明では前記の各実施形態の如くサンプリングセル６が球形のものに限らず、種々の形状で実施することができる。
【０１４３】
なお、箱形のサンプリングセル６の材質については、全体をレーザ光およびレーザ誘起蛍光の透過率が高い材質で構成し、また光を通す場所のみに光学ガラス窓を設置し、さらに光学ガラスで全体構成する等、種々の組み合わせが可能である。
【０１４４】
図２２は本発明の第１９実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成を示す図である。
【０１４５】
本実施形態では、サンプリングセル６が球形で上下に２分割可能な構成とされ、中間部のフランジ５４，５５がボルト５６によって着脱自在に締結されている。
【０１４６】
このような構成によれば、サンプリングセル６の保守のための内部クリーニング、部品交換等が容易に行える。
【０１４７】
図２３は本発明の第２０実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成を示す図である。
【０１４８】
本実施形態では、箱形のサンプリングセル６の内部に、焦点をサンプリングセル６の中央部に設定したレーザ光集光用レンズ５７と、それにより形成される光反応点１２の側方に位置するレーザ誘起蛍光集光用レンズ５８とが設置されている。また、レーザ光集光用レンズ５７と対向する部位には、プラズマ生成用レーザ光５を反射する凹面鏡等からなる多重反射ミラー５９が設置されている。
【０１４９】
このような構成によると、レーザ光５はレーザ光集光用レンズ５７による集光照射と、多重反射ミラー５９による反射とによって、２回にわたり集光領域に集光されることになる。したがって、少ないレーザ出力でも効果的にプラズマ発生を行うことができる。なお、反射ミラーを種々組合せることによって、いわゆる積分球の構造とすれば、さらに多くの反射回数を行うことが可能となり、一層効果的にプラズマ発生を行うことができる。
【０１５０】
図２４は本発明の第２１実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの応用例を示す図である。
【０１５１】
本実施形態では、サンプリングセル６が筒状に構成されており、このサンプリングセル６の周壁部に軸方向に沿って間隔的に複数のエアロゾル導入口１０が開口している。そして、サンプリングセル６の軸方向一端側にレーザ光５照射用の光学窓７ａが設けられ、この光学窓７ａの外側に設けたレーザ光集光手段としての複合レンズ６０によって、レーザ光５の集光用の焦点が調節可能とされ、焦点位置６１を各エアロゾル導入口１０の位置に移動できるようになっている。なお、エアロゾル出口１１および排気系６２は、エアロゾル導入口１０と対向する側壁側に設けられている。
【０１５２】
このような本実施形態の構成によれば、ライン状に配列されたエアロゾル導入口１０に対し、複合レンズ６０の調節によりレーザ光５の焦点位置６１を順次に変化させることで、１つのサンプリングセル６を使用して複数のサンプリング配管を介しての複数のエアロゾル分析が行えるようになる。
【０１５３】
図２５は本発明の第２２実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの応用例を示す横断面図であり、図２６は同縦断面図である。
【０１５４】
本実施形態では、サンプリングセル６が大径筒状とされており、エアロゾル導入口１０はサンプリングセル６の周壁部に周方向に沿って間隔的に複数、径方向に向って開口している。プラズマ生成用のレーザ光５は、サンプリングセル６の中心部下方から光ファイバ４の出力端子４ｂを介して照射されるようになっている。そして、サンプリングセル６内の中心位置に、レーザ光５の光路変更用の反射ミラーまたはプリズム６３が設けられ、図示しないステップモータで間欠回転動作するようになっている。そして、サンプリングセル６内に照射されたレーザ光５は、反射ミラーまたはプリズム６３によって、各エアロゾル導入口１０に向う中間点に設定された光反応点１２で集光されるようになっている。また、サンプリングセル６の下方には、光反応点１２で発生する蛍光１３を集光するための集光レンズ６４および計測用の光ファイバ１５の入力端子１５ａが配置している。
【０１５５】
このような構成によると、レーザ光５の焦点位置を変更する必要なく、レーザ光５の光路変更を反射ミラーまたはプリズム６３で行うことができる。そして、１つのサンプリングセル６で複数のサンプリング導入口１０からのエアロゾルの分析が可能となる。また、サンプリングセル６内の蛍光発生状況をＣＣＤカメラ等の画像処理装置にてモニターすれば、レーザ光５の焦点位置、プラズマ生成状況、蛍光発生位置等の情報が得られ、検出装置の稼働状況を常時モニタすることが可能となるばかりでなく、複数のサンプリング配管を具備するサンプリングセルにおいて蛍光の生成位置の画像データを得ることにより、どのサンプリング配管からのエアロゾルを測定したかの情報も容易に得ることができる。
【０１５６】
図２７は本発明の第２３実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルを使用しない例を示す縦断面図であり、図２６は同横断面図である。
【０１５７】
本実施形態では、エアロゾル９を含むガスが流動するサンプリング用の配管６５と、この配管６５に挿入され、その挿入端に集光レンズ６６を有するレーザ光５照射用の光ファイバ６７と、この光ファイバ６７を介してレーザ光５を配管６５内に照射する図示しないレーザ装置と、レーザ光５の照射によって配管６５内のエアロゾル９から生成される蛍光１３を受光する光ファイバ６８と、この光ファイバ６８を介して蛍光信号を入力し、エアロゾル９の構成元素およびその量を分析する図示しない光計測器とを備えた構成とされている。
【０１５８】
なお、本実施形態では、レーザ照射用の光ファイバ６７と蛍光受光用の光ファイバ６８とが、同一の光ファイバで構成されている。また、光ファイバ６７（６８）は、配管６５に対し、例えばスウェジロックのようなコネクタ６９により、集光レンズ６６と一体構造で挿入され、気密シールされている。
【０１５９】
このような構成によれば、レーザ光５の集光レンズ６６を先端に具備した光ファイバ６７を配管６５に挿入し、その配管６５内の焦点位置７０で生成したエアロゾル９からの蛍光１３を同一光ファイバ６７（６８）で伝送して、エアロゾル９を構成する元素およびその量を分析することができる。この場合、サンプリングセルおよびサンプリング配管等を設ける必要なく、流路（配管６５）に直接レーザ光５を入射させて蛍光検出が行える。
【０１６０】
なお、配管６５に光ファイバ６７と集光レンズ６６を一体構造にして挿入し、気密シールした構成によると、位置精度を高めることが可能で、メンテナンスも容易となる。また、本実施形態では光学窓等を設ける必要がない。
【０１６１】
図２９は本発明の第２４実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルを使用しない例を示す縦断面図であり、図３０は同横断面図である。
【０１６２】
本実施形態は、図２７および図２８に示した前記第２３実施形態と略同一構成であるが、レーザ照射用の光ファイバ６７と蛍光受光用の光ファイバ６８とが、異なる光ファイバで構成されている。即ち、蛍光受光用の光ファイバ６８は、配管６５の中心線回りで略９０°異なる位置で、レーザ照射用の光ファイバ６７の場合と同様に、スウェジロックのようなコネクタ７１により、集光レンズ７２と一体構造で挿入され、気密シールされている。他の構成は図２７および図２８に示した第２３実施形態のものと変らないから、図２９および図３０に、図２７および図２８と同一の符号を付して説明を省略する。
【０１６３】
このような本実施形態においても、前記第２３実施形態と同様に、レーザ光５の集光レンズ６６を先端に具備した光ファイバ６７を配管６５に挿入し、その配管６５内の焦点位置７０で生成したエアロゾル９からの蛍光１３を光ファイバ６８で伝送して、エアロゾル９を構成する元素およびその量を分析することができる等の効果が奏される。
【０１６４】
図３１は本発明の第２５実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。
【０１６５】
本実施形態は、前記の各実施形態で示したエアロゾル分析装置に加え、模擬エアロゾルを発生させる模擬エアロゾル生成器７３と、この模擬エアロゾル生成器７３で発生した模擬エアロゾル７４をサンプリングセル６（またはサンプリング用の配管）に導入する導入機構７５およびサンプリング配管７６とを備えた構成とされている。
【０１６６】
即ち、本実施形態では図３１に示すように、所定のエアゾル計測雰囲気７７からエアゾル９をサンプリング配管７６を介して導入する複数、例えば１対のサンプリングセル６が設けられている。これらのサンプリングセル６に対して、模擬エアロゾル生成器７３がサンプリング配管７６を介して模擬エアロゾル７４を導入することができるようになっている。この模擬エアロゾル７４の導入操作をサンプリング配管７６近傍の導入機構７５によって行うようになっている。
【０１６７】
このような構成の本実施形態によると、サンプリングセル６の較正用の模擬エアロゾル７４を必要に応じて導入することにより、例えば定期点検の際の較正が、サンプリングセル６（またはサンプリング用の配管）を設置した実際の配管等の現場で可能となるばかりでなく、サンプリングセル６がエアロゾル９を異常検知した際の確認を行うことも可能となる。
【０１６８】
なお、以上の実施形態において、サンプリングセル６の数が多くなると、分散化されたサンプリングセル６のどれからの蛍光信号であるかを認識する必要がある。いま、レーザ装置１とサンプリングセル６との間の距離をＬ１（ｍ）、サンプリングセル６と光計測器１７との距離をＬ２（ｍ）とすると、レーザ光がサンプリングセルに伝送され、さらに蛍光が光計測系に検出されるまでの時間Ｔは、
【数１】
Ｔ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／ｃ ；ｃは光速
となる。
【０１６９】
したがって、予めレーザ装置１とサンプリングセル６との光路長を評価しておけば、レーザ照射から蛍光測定までに要した時間から、光の伝搬距離を評価し、光路長との対応でどのサンプリングセルからの信号であるかを間違いなく評価することが可能となる。
【０１７０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、特に狭い空間領域におけるエアロゾル測定を、元素単位に分割するための大掛かりな機構を必要とすることなくコンパクトな構成で、また誤動作のおそれもなく、遠隔操作等によって容易に、かつ高精度で行うことができ、しかも耐用寿命の長期化も図れる等の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す構成図。
【図３】本発明の第３実施形態を示す構成図。
【図４】本発明の第４実施形態を示す構成図。
【図５】本発明の第５実施形態を示す構成図。
【図６】本発明の第６実施形態を示す構成図。
【図７】本発明の第７実施形態を示す構成図。
【図８】本発明の第８実施形態を示す構成図。
【図９】（ａ），（ｂ），（ｃ）は前記各実施形態におけるレーザ光の照射タイミングを示すグラフ。
【図１０】本発明の第９実施形態を示す構成図。
【図１１】図１０のＡ矢視図。
【図１２】本発明の第１０実施形態を示す構成図。
【図１３】図１２のＢ矢視図。
【図１４】本発明の第１１実施形態を示す構成図。
【図１５】本発明の第１２実施形態を示す構成図。
【図１６】本発明の第１３実施形態を示す構成図。
【図１７】本発明の第１４実施形態を示す構成図。
【図１８】本発明の第１５実施形態を示す構成図。
【図１９】本発明の第１６実施形態を示す構成図。
【図２０】本発明の第１７実施形態を示す構成図。
【図２１】本発明の第１８実施形態を示す構成図。
【図２２】本発明の第１９実施形態を示す構成図。
【図２３】本発明の第２０施形態を示す構成図。
【図２４】本発明の第２１実施形態を示す構成図。
【図２５】本発明の第２２実施形態を示す横断面図。
【図２６】本発明の第２２実施形態を示す縦断面図。
【図２７】本発明の第２３実施形態を示す縦断面図。
【図２８】本発明の第２３実施形態を示す横断面図。
【図２９】本発明の第２４実施形態を示す縦断面図。
【図３０】本発明の第２４実施形態を示す横断面図。
【図３１】本発明の第２５実施形態を示す構成図。
【符号の説明】
１ ブレークダウン生成用レーザ装置
３ 光分配器
４ 光ファイバ
４ａ 入力端子
４ｂ 出力端子
５ レーザ光
６，６ａ，６ｂ，６ｃ サンプリングセル
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ 光学窓
８ 集光レンズ
９ エアロゾル
１０ エアロゾル導入口
１１ エアロゾル排出口
１２ 光反応点
１３ 蛍光
１４ 蛍光集光ミラー
１５ 蛍光伝送用光ファイバ
１５ａ 入力端子
１５ｂ 出力端子
１６ 蛍光分配器
１７ 光計測器
１８ レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置
１９ レーザ光
２０ 光分配器
２１ 光ファイバ
２１ａ 入力端子
２１ｂ 出力端子
２２ フィルタ
２３ 放電電極
２４ 連続発振レーザ装置
２５ レーザ光
２６ ダイクロイックミラー（ハーフミラー）
２７ 光ファイバ
２７ａ 入力端子
２７ｂ 出力端子
２８ 光ファイバ
２８ａ 入力端子
２８ｂ 出力端子
２９ 光分配器
３０ コリメータレンズ
３１ ステップモータ
３２ ミラー
３３ 光ガイドパイプ
３４ 反射プリズム
３５ 反射ミラー
３６ 光分配器
３７ ミラー
３９ コリメータレンズ
４０ 高出力レーザ装置
４１ 低出力レーザ装置
４２ ダイクロイックミラー
４３ 光ファイバ
４４ ダイクロイックミラー
４５ 光出力端子
４６ 低出力端子
４７ 蛍光入力用端子
４８ 光ガイドパイプ
４９ 多バンドル光ファイバ
５０ 太径単一光ファイバ
５１ 細径単一光ファイバ
５２ 細径多芯光ファイバ
５４，５５ フランジ
５６ ボルト５６
５７ レーザ光集光用レンズ
５８ レーザ誘起蛍光集光用レンズ
５９ 多重反射ミラー
６０ 複合レンズ
６１ 焦点位置
６２ 排気系
６３ プリズム
６４ 集光レンズ
６５ 配管
６６ 集光レンズ
６７ 光ファイバ
６８ ファイバ
６９ コネクタ
７０ 焦点位置
７３ 模擬エアロゾル生成器
７４ 模擬エアロゾル
７５ 導入機構
７６ サンプリング配管
７７ エアゾル計測雰囲気
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種ガス中に含まれるエアロゾルの成分を分析するために適用されるエアロゾル分析装置に係り、特に狭い空間領域におけるエアロゾル測定を容易に、かつ高精度で行えるようにしたエアロゾル分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エアロゾルとは分散媒体が気体（ガス）で、分散質が液体または固体のコロイドを示す。分散質が液体の場合には、エアロゾルは霧、もや、雲、等となり、分散質が固体の場合には、ちり、煙、煙霧、等となり、このエアロゾルの構成成分の測定は、環境状態の評価に重要な意味を持つ。
【０００３】
エアロゾルに対して広範囲領域に対する測定としては、例えば大気汚染測定がある。環境汚染や近年の大気汚染の原因となる車の排気ガスや工業プラントの排煙には、硫黄化合物（ＳＯｘ、Ｈ２Ｓ等）、窒素化合物（ＮＯＸ、ＮＨ３等）、炭化水素等が含まれ、これらは化学反応または光化学反応によって硫酸塩あるいは硝酸塩となり、大気中の水蒸気を吸収して液体状のエアロゾルとなる。このような広範囲領域のエアロゾル計測は、大気汚染の状況把握およびその対策のために非常に重要な技術である。
【０００４】
一方、狭い領域におけるエアロゾル成分の測定例としては、例えば工業用プラントにおける漏洩検出がある。これは、通常密閉されて検出されることのない物質の漏洩等の異常を、エアロゾル検出によって検出するもので、プラントの安全性を維持する上で非常に重要な技術である。その具体的な例として、高速増殖炉におけるナトリウムエアロゾルの検出がある。
【０００５】
高速増殖炉においては、冷却材として金属ナトリウムを使用しており、ナトリウムを収納した容器、機器、配管等からナトリウムが漏洩すると、原子炉の冷却が不可能となる。また、ナトリウムは化学的に活性であり、ナトリウムの漏洩から火災に進展する可能性もある。したがって、ナトリウムは可能な限り、少量の漏洩を短時間で検出できることが望ましい。
【０００６】
このエアロゾルの一般的な測定技術として、広範囲な空間領域測定を主眼においたものでは、レーザレーダによる計測がある。これは、大気中に照射したレーザ光の散乱による戻り光の強度と、その時間とを測定することにより、エアロゾル濃度の高度分布を測定するものである。ただし、この測定はエアロゾルによる戻り光強度が十分でないと測定できず、狭い領域の測定に対しては適用が難しい。したがって、狭い領域の測定には異なった原理による計測が必要である。
【０００７】
この狭い空間領域に対するエアロゾル測定に関する従来技術としては、エアロゾル成分の同定をすることなくエアロゾル量を検出するものと、その成分を測定することができるものとがある。前者の技術としては半導体型、煙感知式等があり、後者の技術としてはレーザ励起型等がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、狭い空間領域を対象としたエアロゾル測定器としては、半導体型や煙感知式等があるが、これらは分析対象以外のエアロゾルや埃でも反応し、分析目的に反して誤動作する可能性がある。
【０００９】
また、従来では分析対象とするエアロゾル成分を選択的に測定するレーザ励起型の検出器が知られているが、これまでの技術ではエアロゾル成分を元素単位に分解するために大型の高周波プラズマ化装置が必要であり、システム全体が大掛かりになるとともに、長期間の耐用寿命が得られない等の問題があった。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、特に狭い空間領域におけるエアロゾル測定を、元素単位に分割するための大掛かりな機構を必要とすることなくコンパクトな構成で、また誤動作のおそれもなく、遠隔操作等によって容易に、かつ高精度で行うことができ、しかも耐用寿命の長期化も図れるエアロゾル分析装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述したように、エアロゾルは、その構成する原子や分子が核となりミクロンサイズまで成長したものであり、その構成物質を計測するためには原子ないしは分子単位までに分解する必要がある。たとえば漏洩したナトリウムは、Ｎａ金属単体、Ｎａ２Ｏ、ＮａＯのエアロゾルとなり、このエアロゾルを原子ないしは分子単位までに分解する方法としてプラズマ化が一般的である。
【００１２】
気体中でパルスレーザ光による強力な電場を集中させることにより、ブレークダウン（気中放電）を生じさせることが可能なことは周知の事実である。この場合、パルスレーザとしてはＱスイッチＹＡＧレーザが代表的なものであるが、ブレークダウン生成のためには、数１００ＭＷ／ｃｍ２〜数ＧＷ／ｃｍ２のレーザ出力密度が達成できるものであれば、どのようなレーザでも適用可能である。
【００１３】
ブレークダウンは、気体中にエアロゾルが存在すると、それによるエネルギ吸収のためにエアロゾルがプラズマ化されることにより促進される。このプラズマからは種々の光が発生するが、それはレーザ照射からの時間とともに変化する。レーザ光照射直後のナノ秒（１０−９ｓ）オーダーより短い時間帯では、プラズマからの白色光が主要な光であるが、マイクロ秒（１０−６ｓ）オーダ近くになると、プラズマ化されたイオンが電子と再結合し、エアロゾルを構成する原子の蛍光が現れ、その後、光は消滅する。
【００１４】
そこで、エアロゾルを含むガスが導入されるサンプリングセルを使用し、エアロゾル成分を元素単位に分解するためにレーザ光の照射、または電気放電によってプラズマを生成させ、これによって生じる特定元素の蛍光を測定するか、あるいは特定元素の励起波長に同調させたレーザ光を照射し、これによって生じるレーザ誘起蛍光を測定することにより、エアロゾル中の特定元素の存在率を測定することが考えられる。
【００１５】
本発明はこの現象を主に利用したもので、エアロゾルを原子化させるための高周波プラズマ化装置のような専用装置を設置することなく、エアロゾル構成原子の蛍光を生成させるためのレーザ光と、エアロゾルをプラズマ化させるためのレーザ光とを兼ねさせる構成とし、エアロゾルの成分元素とその量を、測定される元素特有の波長の蛍光から計測するものである。
【００１６】
すなわち、請求項１の発明に係るエアロゾル分析装置は、エアロゾルを含むガスの出入口および複数の光学窓を有するとともに内部に反応領域を設定したサンプリングセルと、前記ガス中のエアロゾルをプラズマ化させるためのレーザ光を発するブレークダウン用レーザ装置と、このレーザ装置で発したレーザ光を前記サンプリングセルに前記光学窓から導入して前記反応領域に集光させるレーザ光集光手段と、前記反応領域で集光したレーザ光によるエアロゾルのブレークダウンによって発生する蛍光を他の光学窓の部位に集光させる蛍光集光手段と、集光した蛍光を前記他の光学窓から入力してその蛍光の波長分別により前記エアロゾルの構成元素の分析を行う光計測器とを備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
本発明において、レーザ光はナノ秒（１０−９ｓ ）程度のパルス幅を有するパルスレーザ光が効果的である。この場合、レーザ出力が数１００ｍＪ／パルス程度あると、レーザ光の集光の程度によっては集光点での電界強度が数ＭＶ／ｃｍにもなる。また、エネルギー的にも数ＧＷ／ｃｍ２にもなり、レーザ光照射領域に存在するエアロゾルなどは瞬時にプラズマ化される。本発明ではエアロゾルに対してこのようなレーザ光をレーザ装置からサンプリングセルへ伝送し、サンプリングセル外部から光学窓ガラスを介してエアロゾルとの光反応領域へ導光する。サンプリングセル内に封入されたガスは、レーザ光によってプラズマ化され、その構成元素は高励起状態へ励起ないしはイオン化され、それらはその元素の基底状態へある寿命を持って遷移する。その際、元素特有の波長の蛍光を発生するため、その蛍光信号を光検出器によって計測することにより、エアロゾルを構成する元素の含有量を測定することができる。
【００１８】
なお、ブレークダウン用レーザ装置としては、Ｎｄ；ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、銅蒸気レーザ、半導体レーザ、ＣＯ２レーザ、Ｎ２レーザ等が好適である。
【００１９】
また、この蛍光測定において、ブレークダウン用レーザ光の照射タイミングから蛍光測定時間をディレイさせ、測定対象とする元素の蛍光生成量が最も大きい時間のみに蛍光測定用ウィンドウを設けることにより、測定対象元素の検出感度を増加させることが望ましい。
【００２０】
本発明によれば、エアロゾルをレーザ光により遠隔で計測することができ、かつ、複数の検出系を１系統のレーザ装置および信号処理システムで対応が可能となる。また、光による信号伝送を行うため、電磁気的な外来雑音の影響を受けることもない。
【００２１】
なお、ブレークダウンによる元素の励起が十分でない場合や、ブレークダウンで生成しうる励起状態の制限により、生成される蛍光信号が十分でない場合もある。また、分析対象とする元素の蛍光波長が近接する場合には、測定精度が必ずしも十分に得られない可能性がある。このような場合においては、第１のブレークダウン用のレーザ光照射直後に、分析対象とする元素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光を照射し、そこから生じるレーザ誘起蛍光を計測することにより、特定元素の含有量を高精度で評価することが可能となる。
【００２２】
そこで、請求項２の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、エアロゾルをプラズマ化させるためのブレークダウン用レーザ装置に加え、プラズマ化されるエアロゾルの構成元素のうち分析対象とする元素に対応する特定の励起波長を有するレーザ光を発して特定元素の励起により蛍光を生じさせるレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置と、このレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置から発するレーザ誘起蛍光生成用レーザ光を光学窓を介してサンプリングセル内の反応領域に照射する照射手段とを備え、光計測器は、レーザ誘起蛍光強度を波長分別することによりエアロゾルの存在量を測定する機能を有することを特徴とするものである。
【００２３】
本発明において、第２のレーザ光であるレーザ誘起蛍光生成用レーザ光の照射タイミングは、第１のレーザ光であるブレークダウン用レーザ光によるブレークダウン後のプラズマが基底状態に遷移するμｓオーダ後とする。このようにして、単なるブレークダウンでは生成し得ない蛍光も測定できるようになり、極微量のエアロゾルの成分検出も可能となる。
【００２４】
レーザ光によって分解されプラズマ化されたエアロゾルの原子ないし分子の選択的な検出のためには、波長可変レーザ光を用いてその原子ないしは分子の共鳴状態の波長に同調させたレーザ光照射によるレーザ誘起蛍光計測が極めて有効である。例えばエアロゾルの主成分がナトリウムである場合には、照射するレーザ光の波長はいわゆるナトリウムのＤ線（５８９．６ｎｍあるいは５８９．０ｎｍ）に同調させたレーザ光を照射することにより高感度のナトリウム検出が可能となる。その波長可変レーザ光を生成するレーザ光装置としては色素レーザ、または、非線形光学素子を用いた固体レーザ、等、波長可変レーザ、等が適用可能である。
【００２５】
なお、この蛍光測定において、ブレークダウン用レーザ光の照射タイミングからレーザ誘起蛍光生成用レーザ光の照射時間をディレイさせ、測定対象とする元素の蛍光生成量が最も大きい時間にレーザ誘起蛍光測定用レーザ照射時間のウィンドウを設け、これにより測定対象元素の検出感度を増加させることが望ましい。
【００２６】
次に、請求項３の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセル内のレーザ光照射位置にエアロゾルを捕獲するフィルタを設置し、光計測器は、前記フィルタの表面に付着するエアロゾルへのレーザ光照射によって生じるアブレーションプラズマからの蛍光を波長分別してエアロゾルを構成する元素およびその量を分析する機能を有することを特徴とする。
【００２７】
本発明では、エアロゾルをガス流路に設置したフィルタにより捕獲し、この状態でレーザ光を照射し、フィルター表面でアブレーションプラズマを生成させる。この後のプロセスについては第１の発明と同様であり、フィルタに付着したエアロゾルの構成元素は高励起状態へ励起ないしイオン化され、その元素の基底状態へある寿命を持って遷移する。その際、元素特有の波長の蛍光を発生するため、その蛍光信号を光検出器によって計測することにより、エアロゾルを構成する元素の含有量を測定することができる。
【００２８】
ところで、本発明では請求項２の発明と同様に、レーザ光による生成プラズマ内の元素の励起が十分でない場合や、ブレークダウンで生成しうる励起状態の制限で生成される蛍光信号が十分ではない場合、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接する場合には測定精度に問題が生じる場合もある。このような場合においては、請求項２の発明と同様に、第１のブレークダウン用のレーザ光照射直後に、分析対象とする元素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光を照射し、そこから生じるレーザ誘起蛍光を計測することが有効である。
【００２９】
そこで、請求項４の発明は、請求項２記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセル内のレーザ誘起蛍光生成用レーザ光の照射位置にエアロゾルを捕獲するフィルタを設置し、光計測器は、前記フィルタの表面に付着するエアロゾルのレーザ誘起蛍光強度を波長分別することによりエアロゾルの存在量を測定する機能を有することを特徴とする。
【００３０】
これにより、レーザ光による生成プラズマ内の元素の励起を高め、計測に十分な蛍光信号を得ることができ、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接する場合でも測定精度を高めることができる。
【００３５】
請求項５の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置に加え、連続発振レーザ装置と、この連続発振レーザ装置から発するレーザ光を光学窓を介してサンプリングセル内の反応領域に照射する照射手段とを備え、光計測器は、前記サンプリングセル内における前記反応領域での連続発振レーザ光の散乱強度に基づいてエアロゾルの大きさと数とを測定する機能を有することを特徴とする。
【００３６】
本発明によれば、プラズマ発生領域にレーザ散乱計測用のレーザ光を照射することで、反応部におけるエアロゾルの成分およびその絶対量を計測することができる。すなわち、ミクロンサイズの微粒子にレーザ光を照射すると、一般に知られるレイリー散乱あるいはミー散乱によりレーザ光の散乱が生じる。これらの散乱メカニズムは、散乱要因となるエアロゾルの粒子径に依存し、また強度はエアロゾルの数密度に依存する。したがって、レーザ光の散乱強度を測定することによりエアロゾルの数を定量することができ、最近では一般的な計測技術となっている。本発明は、このレーザ散乱計測をその成分評価を結びつけたものであり、反応部におけるエアロゾルの成分の計測制度の向上が図れる。
【００３７】
請求項６の発明は、請求項５記載のエアロゾル分析装置であって、連続発振レーザ装置とレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置とを共に有するものにおいて、前記連続発振レーザ装置で発するレーザ光と前記レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置で発するレーザ光とをサンプリングセルへの導光経路途中で同軸合成する手段と、合成後のレーザ光を前記サンプリングセルに導光して反応領域に照射する照射手段を備えたことを特徴とする。
【００３８】
本発明によれば、光伝送のための光ファイバの本数の削減ができ、システムの簡素化が可能となる。すなわち、請求項５の発明の場合、エアロゾル粒子数計測用のレーザ光としては連続光が好ましいが、その出力はｍＷオーダで十分である。したがって、サンプリングセルまでの光伝送は、レーザ誘起蛍光測定用のレーザ光と同一の光学経路で伝送が可能であり、最も容易な伝送手段は光ファイバである。そこで本発明では、それぞれのレーザ装置からのレーザ光をダイクロイックミラーやハーフミラー等の光合成用光学素子によって同軸上に空間合成し、光ファイバに入射することで、光ファイバ本数の削減等が図れ、システムの簡素化が可能となるものである。
【００３９】
請求項７の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、レーザ装置は１系統設置するとともに、サンプリングセルは複数設置し、前記１系統のレーザ装置から発するレーザ光を前記複数のサンプリングセルへ導光する手段として、光分配器と、この光分配器から各サンプリングセルへの光学経路を構成する複数の光ファイバまたは光ガイドパイプとを備えたことを特徴とする。
【００４０】
本発明では、１系統のレーザ装置からレーザ光を複数のサンプリングセルへ導光する手段を、複数のファイバへ入射可能な光分配器、光分配器からサンプリングセルへの光学経路として光ファイバあるいは光ガイドパイプで構成する。光ガイドパイプの場合、エルボ部分にプリズムあるいはミラーが設置された中空のパイプを用いることが望ましい。
【００４１】
請求項８の発明は、請求項７記載のエアロゾル分析装置において、光分配器は、レーザ光を所定の光ファイバまたは光ガイドパイプの方向に切換えるプリズムまたはミラーと、このプリズムまたはミラーの切換え動作を行うステップモータとを備えたことを特徴とする。
【００４２】
本発明によれば、レーザ光を複数の光ファイバへ入射する光分配器として、プリズムあるいはミラーを有し、これをステップモータにより所望のファイバへ向けることにより、そのファイバへの導光を可能とするものである。なお、ステップモータの回転角度θによって導光するファイバは一義的に決まるため、この角度を計測すれば、どのサンプリングセルの計測を行っているかの確認が可能となる。
【００４３】
請求項９の発明は、請求項７記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセルの設置数よりも光計測器の設置数を少なくし、そのサンプリングセルから光計測器に蛍光を導く光学経路を集合させ、その集合した蛍光を前記光計測器で集中計測するようにしたことを特徴とする。
【００４４】
本発明によれば、サンプリングセル数よりも少ない数の光計測装置で集中計測することで、構成の簡素化が図れるようになる。
【００４５】
請求項１０の発明は、請求項９記載のエアロゾル分析装置において、複数のサンプリングセルからの蛍光を光計測器に導く光学経路は、複数の光ファイバと、この複数の光ファイバからの蛍光を一点に集光し得る光分配器と、集光した蛍光を導光する１系統の光ファイバまたは光ガイドパイプとを有することを特徴とする。
【００４６】
サンプリングセル内でレーザ光によるブレークダウンを生じさせるためには、ｍＪ／パルス程度の高出力レーザを伝送させる必要がある。本発明では、光ファイバないし中空の光ガイドパイプによるレーザ光の伝送を行うことで、レーザ装置から離れた場所に設置したサンプリングセルでの計測が可能となり、遠隔操作性を持たせることができる。なお、光ファイバを使用するか光ガイドパイプを使用するかについては、レーザ光の伝送効率や耐レーザ強度、あるいは使用環境条件等を考慮して選択すればよい。例えば、ブレークダウンさせるためのレーザ光強度が光ファイバの耐レーザ光強度を越えるような場合には、光ガイドパイプを用いることが望ましい。
【００４７】
請求項１１の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、レーザ装置からサンプリングセルまでレーザ光を導く光学経路と、前記サンプリングセルから光計測器まで蛍光を導く光学経路とを、共通な光学経路として構成し、その共通な光学経路は、レーザ光と蛍光とを分ける手段としてダイクロイックミラーを有することを特徴とする。
【００４８】
本発明の前提となるレーザ光の伝送は最大の組合せで、（１）プラズマ発生のためのブレークダウン用レーザ光、（２）レーザ誘起蛍光生成用レーザ光、（３）エアロゾル数密度計測のための連続発振レーザ光の３つの組合せがある。また、蛍光伝送として、（４）エアロゾルの成分対応のレーザ誘起蛍光、（５）エアロゾルの数密度評価用の散乱光の２つがある。
【００４９】
これらの光は、波長やパルス波形、出力など異なるが、それぞれの伝送用の光学経路はそれぞれ独立に取る必要はなく、むしろ同一経路で伝送出来るものはそうした方がよりシステムを簡素化出来る。このため本発明では、サンプリングセルで照射するレーザ光と、これによって生じる蛍光とをを導光するための光学経路を共有するものとし、その端部等において照射レーザ光と蛍光を分けるためのダイクロイックミラーを有するものとしている。ただし、これらの構成については、分析対象のエアロゾルの特性によってレーザ光の波長か測定する蛍光波長等に応じたシステムとして最適な構成があり、対象に応じて最適化させるべきものである。
【００５０】
請求項１２の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、光学経路を多バンドル光ファイバで構成し、その多バンドル光ファイバ部の一部をレーザ装置からサンプリングセルまでレーザ光を導く光学経路として適用し、残りの部分を前記サンプリングセルから光計測器まで蛍光を導く光学経路として適用したことを特徴とする。
【００５１】
本発明においては、例えば多バンドル光ファイバの一部をレーザ光の伝送用に、また残りのファイバを蛍光伝送用とし、本体部は１本で両端をそれぞれの機能毎に分割してバンドル化する。こうすることにより、レーザ装置および光計測器側と、サンプリングセル側との間の光ファイバは一本化できる。
【００５２】
請求項１３の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセル内の反応領域で発生する蛍光を集光させる蛍光集光手段は、そのサンプリングセルの内部に設けた反射装置または外部に設けたレンズ装置であることを特徴とする。
【００５３】
光反応部で生成する蛍光の計測は、高感度であればあるほどエアロゾルの組成元素の検出が高感度になる。したがって、発生する蛍光の検出によってカバーする立体角は大きいほど好ましい。本発明では、プラズマ発生点から生じる蛍光をサンプリングセル外部の蛍光伝送系への集光効率を増加させるため、サンプリングセル内部あるいは外部にエアロゾルを含むガスとレーザ光の反応点からの蛍光を集光する集光手段を設けたものである。集光手段としては、凹面ミラーあるいは凸レンズ等が好適である。これにより、蛍光検出系の有する立体角を増加させることができ、検出感度を大きく引き上げることが可能となる。
【００５５】
プラズマ発生のためのレーザ光強度が強ければ、プラズマ化は容易に行われるが、その反面レーザ装置や光伝送系などへの仕様への要求が難しくなる。したがって、エアロゾル検出システムにおけるプラズマ生成用レーザはその出力が低くできれば好ましい。このため、本発明では照射したレーザ光を有効利用するために、サンプリングセルの内部で多重反射させ、複数回にわたってレーザ光の集光領域にレーザ光を集光させるものである。こうすることにより、少ないレーザ出力で効果的にブレークダウンを生じさせることができる。
【００５６】
請求項１４の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセルはエアロゾルを含むガスを導入するための複数のエアロゾル導入口を間隔的に有するものであり、レーザ光集光手段はレーザ光集光位置を前記の各エアロゾル導入口の位置に移動する集光位置調整機能を有することを特徴とする。
【００５７】
サンプリングセルにエアロゾルを供給する複数のサンプリング配管を設ければ複数点のモニタが１つのサンプリングセルで可能となる。そこで本発明では、レーザ光の集光点を順次サンプリング配管からのエアロゾル導入口に集光照射するようにし、そこでの蛍光を計測することで、１つのサンプリングセルで複数のサンプリング配管から導入されるエアロゾルの分析が可能となる。
【００５８】
請求項１５の発明は、請求項１４記載のエアロゾル分析装置において、集光位置調整機能を有するレーザ光集光手段は、照射するレーザ光の焦点を各サンプリング配管のエアロゾル導入口の位置に順次調節することが可能な複合レンズ装置であることを特徴とする。
【００５９】
複数のサンプリング配管を設置したサンプリングセルにおいては、サンプリング配管のエアロゾル導入口の配列が例えばライン状に配置されているものであれば、複合レンズ装置によって、例えば順次焦点位置をエアロゾル導入口の位置に変化させることで対応が可能となる。このようにして、１つのサンプリングセルで複数のサンプリング配管から導入されるエアロゾルの分析を行うが可能となる。
【００６０】
請求項１６の発明は、請求項１４記載のエアロゾル分析装置において、集光位置調整機能を有するレーザ光集光手段は、照射するレーザ光の向きを各サンプリング配管のエアロゾル導入口の位置に順次調節することが可能な回転式の反射ミラーまたはプリズムであることを特徴とする。
【００６１】
複数のサンプリング配管を設置したサンプリングセルにおいては、サンプリング配管のエアロゾル導入口の配列が、例えば同心円上で径方向に向けて設置されているものであれば、レーザ光の焦点位置は変更する必要がなく、レーザ光の光路変更を反射ミラーまたはプリズムで行うことができる。このようにして１つのサンプリングセルで、複数のサンプリング配管からのエアロゾルの分析が行えるようになる。
【００６２】
請求項１７の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置において、蛍光発生状況をモニタする画像処理装置と、レーザ光の焦点位置、プラズマ生成状況、蛍光発生位置等の情報をモニタする手段とを備えたことを特徴とする。
【００６３】
本発明において、サンプリングセル内の蛍光発生状況は、ＣＣＤカメラ等の画像処理装置にてモニタすることにより、レーザ光の焦点位置、プラズマ生成状況、蛍光発生位置等の情報が得られ、検出装置の稼働状況を常時モニタすることが可能となる。また、複数のサンプリング配管を具備するサンプリングセルにおいては蛍光の生成位置の画像データを得ることにより、どの配管からのエアロゾルを測定したかの情報も得ることが可能となる。
【００６６】
請求項１８の発明は、請求項１記載のエアロゾル分析装置に加え、模擬エアロゾルを発生させる模擬エアロゾル生成器と、この模擬エアロゾル生成器で発生した模擬エアロゾルをサンプリングセルまたはサンプリング用の配管に導入する導入機構とを備えたことを特徴とする。
【００６７】
本発明によると、サンプリングセルの較正用の模擬エアロゾルを導入することにより、定期点検の際の較正が、サンプリングセルまたはサンプリング用の配管を設置した実際の配管等の現場で可能となるばかりでなく、サンプリングセルがエアロゾルを異常検知した際の確認を行うことも可能となる。
【００６８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態で示すエアロゾル分析装置は、例えば高速増殖炉のナトリウムを内包する容器、機器、配管等からのナトリウム漏洩検出、工場排煙中の微量金属検出等に適用されるものである。
【００６９】
図１は本発明の第１実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。
【００７０】
本実施形態のエアロゾル分析装置は図１に示すように、ブレークダウン生成用レーザ装置１を備えており、このブレークダウン生成用レーザ装置１から発したレーザ光５が光分配器３、入力端子４ａ、光ファイバ４および出力端子４ｂを経て球状のサンプリングセル６の内部に、光学窓７ａを介して入射されるようになっている。このレーザ光入射用の光学窓７ａはサンプリングセル６の側面側の上部近傍位置に設けられ、レーザ光５は光学窓７からサンプリングセル６の内部に斜め下方に向かって照射されるようになっている。光学窓７の外側には、レーザ集光手段としての集光レンズ８が設けられ、この集光レンズ８によって、光ファイバ４から出射されたレーザ光５がサンプリングセル６の内部の一箇所、例えば底部近傍に集光されるようになっている。
【００７１】
分析対象となるナトリウム等のエアロゾル９を含むガスは、サンプリングセル６の上部に設けたエアロゾル導入口１０を介してサンプリングセル６内に下方に向って導入されるようになっている。そして、エアロゾル導入口１０と対向するサンプリングセル６の底部位置にエアロゾル排出口１１が設けられ、エアロゾル９を含むガスは、このエアロゾル排出口１１を介して外方に流下して排出されるようになっている。前述した集光レンズ８の焦点位置は、このエアロゾル排出口１１の近傍に設定されており、この焦点位置の領域が反応領域（本実施形態では光反応領域）とされている。
【００７２】
そして、サンプリングセル６内でエアロゾル導入口１０からエアロゾル排出口１１に流れるエアロゾル９は、集光レンズ８の焦点位置で光反応し（以下、この位置を光反応点１２という）、励起によるプラズマ化でブレークダウンを生じ、これにより蛍光１３が発せられるようになっている。
【００７３】
サンプリングセル６の内部には、蛍光集光手段としての蛍光集光ミラー１４が固定配置されている。この蛍光集光ミラー１４は、内面を反射面とする椀形の凹面鏡状のものであり、その底部位置に孔１４ａが形成されている。そして、この蛍光集光ミラー１４は、その底部が光学窓７ａに対向する状態で斜め下向きに配置され、その軸心がレーザ光５の導光軸心と一致するようになっている。
【００７４】
これによりレーザ光５は、蛍光集光ミラー１４の底部の孔１４ａを貫通して、サンプリングセル６内に導入され、斜め下向きとなった蛍光集光ミラー１４の大径開口部側の内側下方で集光し、ここでエアロゾル９との光反応によって蛍光１３が生じるようになっている。蛍光１３は図１に破線矢印で示すように、蛍光集光ミラー１４の内面で反射して、サンプリングセル６の斜め下方の周壁近傍で集光するようになっている。
【００７５】
この蛍光１３の集光位置に第２の光学窓７ｂが設けられ、この光学窓７ｂに臨んで蛍光伝送用光ファイバ１５の入力端子１５ａが配設されている。そして、蛍光１３は蛍光伝送用光ファイバ１５を介して外部に伝送された後、出力端子１５ｂから蛍光分配器１６を経て、光計測器１７に入射されるようになっている。
【００７６】
本実施形態においては、レーザ装置１から例えば１０−９ｓのパルス幅を有するパルスレーザ光２が出力１００ｍＪ／パルスで発せられ、このレーザ光２が光ファイバ４を介してサンプリングセル６に伝送され、集光レンズ８によってサンプリングセル６内の集光点（光反応点１２）で集光される。
【００７７】
ここで電界強度は数ＭＶ／ｃｍとなり、レーザ光照射領域に存在するエアロゾル９は瞬時にプラズマ化され、エアロゾル９の構成元素は高励起状態で励起ないしイオン化されて基底状態へ遷移し、その際に元素特有の光反応点１２で蛍光１３が発せられる。
【００７８】
光反応点１２で発した蛍光１３は、蛍光集光ミラー１４の内面で反射して一点に集光され、第２の光学窓７ｂから蛍光伝送用光ファイバ１５を介して光計測器１７に入力されて計測が行われ、エアロゾル９を構成する元素の含有量が測定される。本実施形態においては、光計測器１７が例えばバンドパスフィルタを設置した光電子増倍管、または分光器が適用されている。前者のバンドパスフィルタにおいては、単一の元素の測定のみ可能である。また、後者の光電子増倍管の場合には、蛍光波長を分光することにより同時にエアロゾルを構成する元素を分析することが可能である。この光計測においては、測定の時間タイミングでゲート設定器によりゲート処理が行われ、測定対象とする元素に対して最も感度の高い時間設定をすることにより、Ｓ／Ｎ比を改善することが可能となっている。
【００７９】
なお、レーザ光５によるプラズマ生成のポイントは、パルスあたりのエネルギおよびパルス時間で定まる。本実施形態ではプラズマ生成用レーザ光のパルスエネルギが最高で数１００ｍＪ程度である。パルス幅はナノ秒（１０−９ｓ）オーダ、あるいはそれ以下である。また、ブレークダウン用レーザ装置１は、Ｎｄ；ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、銅蒸気レーザ、半導体レーザ、ＣＯ２レーザ、Ｎ２レーザ等が適用されている。
【００８０】
以上の第１実施形態によれば、エアロゾル９をレーザ光５により遠隔で計測することができ、かつ、複数の検出系を１系統のレーザ装置１および信号処理システムで対応が可能となる。また、光による信号伝送を行うため、電磁気的な外来雑音の影響を受けることもない。
【００８１】
図２は本発明の第２実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。
【００８２】
本実施形態のエアロゾル分析装置は基本的に前記の第１実施形態と同様であるが、これにレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８を付加したものである。即ち、サンプリングセル６には、その内部の光反応点１２を通る直線上の位置に第３の光学窓７ｃおよび第４の光学窓７ｄが設けられている。そして、レーザ誘起蛍光生成用のレーザ装置１８から発したレーザ光１９が光分配器２０、入力端子２１ａ、光ファイバ２１および出力端子２１ｂを介し、第３の光学窓７ｃからサンプリングセル６内に入射されるようになっている。なお、本実施形態において、前記第１実施形態と同様の構成部分には、図２の対応部分に図１と同一の符号を付して説明を省略する。
【００８３】
本実施形態においては、レーザ光１９を測定対象とする元素の検出感度が最も高い波長に同調させる。例えば、エアロゾルの成分がナトリウムである場合には、Ｄ線として有名な５８９．５ｎｍあるいは５８９．０ｎｍの波長に同調させる。このレーザ光１９は、光分配器２０および光ファイバ２１を経て、光反応部１２へ照射される。ここで生成されるレーザ誘起蛍光は集光ミラー１４で集光され、光計測器１７で検出される。レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８として波長可変レーザ光を生成するレーザ光装置には、色素レーザ、非線形光学素子を用いた固体レーザ等が好適である。
【００８４】
また、レーザ光１９によって生成したプラズマからの蛍光ないし生成直後の波長可変レーザ光の照射によって生じるレーザ誘起蛍光を計測する前記の光計測器１７には、バンドパスフィルタを設置した光電子増倍管、光電子増倍管やＣＣＤ検出器を設置した分光器等が適用される。これらの装置により元素特有の波長を分別して計測することが可能で、エアロゾルを構成する元素およびその量を選択的に分析することができる。
【００８５】
この第２実施形態によれば、ブレークダウン用の第１のレーザ光の照射直後に、分析対象とする元素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光を照射し、そこから生じるレーザ誘起蛍光を計測することにより、特定元素の含有量を高精度で評価することが可能となる。この場合の第２のレーザ光の照射タイミングは第１のレーザ光によるブレークダウン後のプラズマが基底状態に遷移するμｓオーダ後とする。このようにして、単なるブレークダウンでは生成し得ない蛍光も測定できるため、極微量のエアロゾルの成分検出も可能となる。
【００８６】
したがって、本実施形態ではブレークダウンによる元素の励起が十分でない場合やブレークダウンで生成しうる励起状態の制限で生成される蛍光信号が十分でない場合、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接して測定精度に問題が生じるような場合に特に有効である。
【００８７】
図３は本発明の第３実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図３にはサンプリングセル６の構成を拡大して示している。その他の構成は図１に示した第１実施形態と同様であるから説明を省略する。
【００８８】
本実施形態では、サンプリングセル６内にエアロゾルを捕獲するフィルタ２２が、エアロゾル９の流路とプラズマを生成用のレーザ光５の光路との交差点、すなわち光反応点１２を含む位置に設置されている。この光反応点１２で生成される蛍光１３は、集光ミラー１４により蛍光計測用光ファイバ１５に導光され、前記各実施形態と同様に分光されるようになっている。
【００８９】
エアロゾル捕獲用のフィルタ２２としては、一般のＨＥＰＡフィルタでも可能であるが、微細金属粉末を焼結した多孔質金属（例えば多孔質タングステン）が長期間のレーザ照射に好適である。
【００９０】
本実施形態によると、エアロゾル９を含むガスを単に気中放電させる前記第１実施形態と異なり、エアロゾル９をガス流路に設置したフィルタ２２により捕獲し、この状態でレーザ光５を照射し、フィルタ２２の表面でプラズマを生成させるので、光反応がより効率的に行われる。
【００９１】
この後のプロセスについては第１実施形態と同様であり、フィルタ２２に付着した元素はプラズマ化され、その構成元素は高励起状態へ励起ないしはイオン化され、それらはその元素の基底状態へある寿命を持って遷移する。その際、元素特有の波長の蛍光を発生するため、その蛍光信号を光計測器１７によって計測することによりエアロゾルを構成する元素の含有量を測定することができる。
【００９２】
図４は本発明の第４実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図４にはサンプリングセル６の構成を拡大して示している。その他の構成は図２に示した第２実施形態と同様であるから説明を省略する。
【００９３】
本実施形態のエアロゾル分析装置は、第２実施形態の構成に加え、サンプリングセル６内のレーザ誘起蛍光生成用レーザ光１９の照射位置に、エアロゾル９を捕獲するフィルタ２２が設置されている。そして光計測器１７は、フィルタ２２の表面に付着するエアロゾル９のレーザ誘起蛍光強度を波長分別することによりエアロゾル９の存在量を測定する機能を有する構成とされている。
【００９４】
このような第４実施形態の構成によれば、第３実施形態の装置でレーザ光による生成プラズマ内の元素の励起が十分でない場合や、ブレークダウンで生成しうる励起状態の制限で生成される蛍光信号が十分ではない場合、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接して測定精度に問題が生じる場合等において、第１のブレークダウン用のレーザ光５の照射直後に、分析対象とする元素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光１９を照射し、そこから生じるレーザ誘起蛍光１３を計測することで、レーザ光による生成プラズマ内の元素の励起を高め、計測に十分な蛍光信号を得ることができ、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接する場合でも測定精度を高めることができる。
【００９５】
図５は本発明の第５実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図５でもサンプリングセル６の構成を拡大して示している。
【００９６】
本実施形態のエアロゾル分析装置では、前記各実施形態のものと異なり、プラズマ生成用レーザ光照射に代えて、放電電極により電極間に導入したエアロゾルを含むガス中で電気放電を発生させるようになっている。
【００９７】
すなわち、図５に示すように、サンプリングセル６にエアロゾル９を含むガスの出入口１０，１１と、蛍光を取出すための一つの光学窓７ｂとが設けられている。サンプリングセル６の内部に反応領域が設定されるとともに、前記各実施形態と同様の蛍光集光手段としての蛍光集光ミラー１４が設置されている。
【００９８】
そして、サンプリングセル６内の反応領域に、電圧印加によってガス中のエアロゾル９をプラズマ化させる１対の放電電極２３が設けられている。この放電電極には、図示しない外部電源から高圧電流が供給され、例えばパルス的な電気放電が行われる。この放電電極２３によるエアロゾル９のプラズマ化によって発生する蛍光１３が、前記の蛍光集光ミラー１４によって光学窓７ｂの部位に集光されるようになっている。集光された蛍光は、光学窓７ｂから蛍光伝送用光ファイバ１５を介して図示しない光計測器に入力されて計測され、エアロゾル９を構成する元素の含有量が測定される。
【００９９】
このような構成の本実施形態によれば、プラズマ生成用レーザ光照射の代わりに、放電電極２３によるパルス的な放電によって、サンプリングセル６内に導入したエアロゾル９を含むガス中で電気放電を発生させ、ここで発生する蛍光を波長分別可能な光計測器により、エアロゾルを構成する元素およびその量を計測することができる。本実施形態では、放電用の電源が必要となるが、ブレークダウン用レーザとその伝送用の光学経路は不要となる。
【０１００】
図６は本発明の第６実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図６でもサンプリングセル６の構成を拡大して示している。
【０１０１】
本実施形態のエアロゾル分析装置は、第５実施形態の構成に加え、サンプリングセル６内の放電電極２３の放電位置に、図２に示したものと同様のレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置（図示省略）からレーザ光１９が照射されるようになっている。その他の構成は、図５に示した第５実施形態と略同様である。なお、図示しない光計測器は、エアロゾル９のレーザ誘起蛍光強度を波長分別することにより、エアロゾル９の存在量を測定する機能を有する構成とされている。
【０１０２】
このような第６実施形態の構成によれば、第５実施形態の装置で生成プラズマ内の元素の励起が十分でない場合等において、放電直後に分析対象とする元素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光１９を照射し、そこから生じるレーザ誘起蛍光１３を計測することで、生成プラズマ内の元素の励起を高め、計測に十分な蛍光信号を得ることができ、測定精度を高めることができる。
【０１０３】
なお、本実施形態において、電気放電によって生成したプラズマからの蛍光ないしはその生成直後の波長可変レーザ光の照射によって生じるレーザ誘起蛍光の計測を行うための光計測器には、バンドパスフィルタを設置した光電子増倍管、光電子増倍管、あるいはＣＣＤ検出器を設置した分光器等が適用できる。
【０１０４】
図７は本発明の第７実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。本実施形態は、図２に示した第２実施形態の装置に、レーザ散乱強度測定用の連続発振レーザ装置を付加し、光反応点にレーザ散乱強度測定用のレーザ光を照射するようにしたものである。
【０１０５】
即ち、本実施形態では図７に示したように、サンプリングセル６に、その内部の光反応点１２を通る直線上の位置に第５の光学窓７ｅおよび第５の光学窓７ｆが設けられている。そして、レーザ散乱強度測定用の連続発振レーザ装置２４から発したレーザ光２５が入力端子２７ａ、光ファイバ２７および出力端子２７ｂを介し、第５の光学窓７ｅからサンプリングセル６内に入射されるようになっている。そして、光計測器は、サンプリングセル６内における光反応点１２での連続発振レーザ光２５の散乱強度に基づいて、エアロゾル９の大きさと数とを測定する機能を有する構成とされている。なお、他の構成については、前記第２実施形態と略同様であるから、図７の対応部分に図２と同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０６】
本実施形態によれば、プラズマ発生領域にレーザ散乱計測用のレーザ光２５を照射することで、光反応部１２におけるエアロゾル９の成分およびその絶対量を計測することができる。すなわち、ミクロンサイズの微粒子にレーザ光２５を照射することで、レイリー散乱あるいはミー散乱によりレーザ光２５の散乱が生じ、その散乱メカニズムは散乱要因となるエアロゾルの粒子径に依存し、また強度はエアロゾル９の数密度に依存するので、レーザ光２５の散乱強度を測定することにより、エアロゾル９の数を定量することができる。したがって、本実施形態によれば、レーザ散乱計測をその成分評価を結びつけることにより、光反応部１２におけるエアロゾル９の成分の計測制度の向上が図れるものである。
【０１０７】
図８は本発明の第８実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。
【０１０８】
本実施形態は、図７に示した第７実施形態の装置と同様に、連続発振レーザ装置２４とレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８とを共に有するものであるが、連続発振レーザ装置２４で発するレーザ光２５とレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８で発するレーザ光１９とをサンプリングセル６への導光経路途中で同軸合成する手段として、ダイクロイックミラー２６（またはハーフミラー）が設けられている。また、合成後のレーザ光１９，２５をサンプリングセル６に導光して光反応点１２に照射する照射手段として、入力端子２８ａ、光ファイバ２８および出力端子２８ｂが設けられている。他の構成については、第７実施形態と略同様であるから、図８の対応部分に図７と同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０９】
本実施形態によれば、レーザ散乱強度測定用のレーザ光２５とレーザ誘起蛍光計測用のレーザ光１９とがダイクロイックミラー２６で合成され、光ファイバ２８を経て光反応部１２へ照射される。そして、散乱光は集光ミラー１４で集光されて光ファイバ１５を介して光計測装置１７に導かれ、ここで照射したレーザ波長における散乱強度が計測される。したがって、光伝送のための光ファイバの本数の削減ができ、システムの簡素化が可能となる。
【０１１０】
図９（ａ），（ｂ），（ｃ）は、以上の各実施形態におけるレーザ光の照射タイミングの概念図を示したものである。図９（ａ）はプラズマ生成用レーザ光
（ブレークダウン用レーザ光）５の照射タイミングａを示し、同図（ｂ）はレーザ誘起蛍光計測用のレーザ光１９の照射タイミングｂを示し、同図（ｃ）はエアロゾル量の計測用のレーザ光（レーザ散乱計測用の連続発振レーザ光）２５の照射タイミングｃを示している。
【０１１１】
これらの図中において、Δｔ１はプラズマ生成用レーザ光２５の時間間隔を示したもので、たとえば１０Ｈｚの繰り返しでエアロゾル計測をする場合には０．１秒となる。また、Δｔ２はレーザ誘起蛍光計測用のレーザ光１９のプラズマ生成用レーザ光５の照射タイミングからの遅れであり、これは生成されるプラズマの状況に応じてナノ秒からマイクロ秒のオーダまで様々である。この決定はサンプリングするエアロゾルを構成する原子がプラズマ化されてから原子状態に至る時間とプラズマからの白色光（バックグラウンド光）の減衰時間によって行われる。
【０１１２】
図１０は本発明の第９実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特に光学経路の構成を示す図であり、図１１は図１０のＡ矢視図である。
【０１１３】
本実施形態は、図示しないが前記実施形態によるレーザ装置１，１８，２４を基本的に１系統設置するとともに、サンプリングセル６を複数設置する場合において、その光学経路の構成についてのものである。即ち、本実施形態では１系統のレーザ装置から発するレーザ光５（１９，２５）を複数のサンプリングセルへ導光する手段として、光分配器２９と、この光分配器２９から各サンプリングセルへの光学経路を構成する複数の光ファイバ４（２１，２７）とを備えたものである。
【０１１４】
そして本実施形態では、光分配器２９が、レーザ光５（１９，２５）を集光するコリメータレンズ３０と、このコリメータレンズ３０によって集光したレーザ光５（１９，２５）を所定の光ファイバ４（２１，２７）の方向に切換えるプリズムまたはミラー３２と、このプリズムまたはミラー３２の切換え動作を行うステップモータ３１とを備えた構成とされている。
【０１１５】
このような構成によると、レーザ光５（１９，２５）をコリメータレンズ３０によって集光した後、光分配器２９としてのプリズムまたはミラー３２を介して、複数の光ファイバ４（２１，２７）へ選択的に入射することができ、光学経路の構成ひいてはシステム構成の簡素化が図れるようになる。しかも、ミラー３２をステップモータ３１により所望の光ファイバ４（２１，２７）へ任意に向けるようにしたので、光ファイバ４（２１，２７）への導光の切換えが容易かつ確実に行える。なお、ステップモータ３１の回転角度θによって導光する光ファイバ４（２１，２７）が一義的に定まるため、この回転角度θを計測すれば、どのサンプリングセルの計測を行っているかの確認が可能となる。
【０１１６】
図１２は本発明の第１０実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特に光学経路の構成を示す図であり、図１３は図１２のＢ矢視図である。
【０１１７】
本実施形態では、図１０および図１１に示した第９実施形態の光ファイバ４（２１，２７）に代えて、光学経路を光ガイドパイプ３３としたものである。この光ガイドパイプ３３は、パイプ内面にアルミニウム等の光学メッキを施し、経路局部となるエルボ部分には、反射プリズム３４または反射ミラー３５等の光学反射体を設置した構成とされている。他の構成については、前記第９実施形態と略同様であるから、図１２および図１３の対応部分に図１０および図１１と同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１８】
このような構成の第１０実施形態によっても、前記第９実施形態と同様に、光学経路の切換えの容易化およびシステム構成の簡素化等の作用効果が奏される。図１４は本発明の第１１実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特に蛍光伝送用の光学経路の構成を示す図である。
【０１１９】
本実施形態では図１４に示すように、蛍光伝送用光学経路が、図示しない複数のサンプリングセル６から蛍光１３を一点に向かって導く複数の光ファイバ１５と、この各光ファイバ１５の出力端子１５ｂの向く位置に配置された光分配器３６とを備えている。光分配器３６は、前記のレーザ光を導光するための光学経路と同様に、各光ファイバ１５の向きに対して回動可能なプリズムまたはミラー３７と、このプリズムまたはミラー３７の切換え動作を行うステップモータ３８とを有している。プリズムまたはミラー３７から出射される蛍光１３は、コリメータレンズ３９で集光された後、一本の光ファイバ１５の入力端子１５ａに入射され、図示しない光検出器１７に導かれるようになっている。
【０１２０】
このような構成によると、蛍光１３の伝送のための光学経路についても、複数のサンプリングセル６に対して少数の光計測器１７が適用でき、光計測系統における機器の効率化が図れるとともに、その光学経路の切換え動作も容易かつ確実に行える等の作用効果が奏される。
【０１２１】
なお、本実施形態の光学経路についても、光ファイバ１５に代えて光ガイドパイプを適用することができるのは勿論である。
【０１２２】
図１５は本発明の第１２実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示すシステム構成図である。本実施形態では、３系統のサンプリングセル６ａ，６ｂ，６ｃと、各１系統のブレークダウン用レーザ装置１、光計測器１７、レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８および連続発振レーザ装置２４とが、光ファイバ４ｂ，１５ｂ，２８ｂで接続されている。
【０１２３】
このシステム構成に、上述した図１０〜図１４に示す実施形態の光学経路構成が適用されている。即ち、各サンプリングセル６ａ，６ｂ，６ｃから導かれる各３本の光ファイバ４，１５，２８がそれぞれまとめられ、これらに光分配器２９，３６が適用されて光学経路が構成されている。なお、レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８と連続発振レーザ装置２４とはダイクロイックミラー２６によって同軸上で合成され、図７に示した前記の第７実施形態の構成が採用されている。
【０１２４】
このような構成の第１２実施形態によると、サンプリングセル６の設置数よりも各レーザ装置１，１８，２４および光計測器１７の設置数が少なく、システム全体としての構成が簡素化できる。なお、サンプリングセル６の設置数および各レーザ装置１，１８，２４および光計測器１７の設置数は図１５に示したもの以外に各種選定できることは勿論である。
【０１２５】
図１６は本発明の第１３実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示すシステム構成図である。
【０１２６】
本実施形態のエアロゾル分析装置は、一つのサンプリングセル６に対し、高出力レーザ装置４０および低出力レーザ装置４１からレーザ光が供給される２系統レーザ光供給タイプのものである。これら各レーザ装置４０，４１から発振するレーザ光は、ダイクロイックミラー４２および１本の光ファイバ４３を経てサンプリングセル６側に導光されるようになっている。そして、光ファイバ４３の先端側では、別のダイクロイックミラー４４によって光出力端子４５および低出力端子４６に導かれ、サンプリングセル６に対して２系統で入射されるようになっている。
【０１２７】
また、一つの光計測器１７および蛍光入力用端子４７が設けられ、サンプリングセル６側から蛍光入力用端子４７を介して入力される蛍光も、ダイクロイックミラー４４、同一の光ファイバ４３およびダイクロイックミラー４２を経て光計測器１７側に導光されるようになっている。なお、レーザ誘起蛍光計測用レーザ光の波長と蛍光計測波長が同一である場合には、ダイクロイックミラーを部分反射ミラーに置換することで対応できる。
【０１２８】
このような構成によれば、簡素化されたシステム構成で、高低２系統のレーザ出力および蛍光受信が効率よく行える。
【０１２９】
図１７は本発明の第１４実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示すシステム構成図である。
【０１３０】
本実施形態でも前記の第１３実施形態と同様に高低出力レーザ装置４０，４１を有する２系統タイプとされているが、前記のものと異なり、高出力レーザ装置４０から発振されるレーザ光のみが、光ガイドパイプ４８を介してサンプリングセル６側に導光されるようになっている。その他の構成は第１３実施形態と略同様であるから、図１７に図１６と同一符号を付して説明を省略する。
【０１３１】
このような構成によっても、第１３実施形態と略同様の効果が奏されるが、高出力レーザ装置４０から発振されるレーザ光を光ガイドパイプ４８を介して伝送するようにしたことにより、より高出力のレーザ光の伝送が確実に行える。なお、光ファイバを使用するか光ガイドパイプを使用するかについては、レーザ光の伝送効率や耐レーザ強度、あるいは使用環境条件で選択すればよい。例えば、ブレークダウンのためのレーザ光強度が光ファイバの耐レーザ光強度を越えるような場合には、光ガイドパイプを用いることが望ましい。
【０１３２】
図１８は本発明の第１５実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特に光ファイバの構成を示す図である。
【０１３３】
本実施形態では、光学経路を構成する光ファイバが、複数の独立したファイバ要素を束ねた多バンドル光ファイバ４９とされている。この多バンドル光ファイバ４９の各ファイバ要素は、例えば太径単一光ファイバ５０、細径単一光ファイバ５１および細径多芯光ファイバ５２からなり、それらの両端はホルダによって個別に被覆されて独立状態となっているが、途中の部分は１本のバンドルにまとめられている。そして、これらの各光ファイバ５０，５１，５２によって、それぞれレーザ光および蛍光の伝送を行うようになっている。即ち、太径単一光ファイバ５０によってブレークダウン用レーザ光の伝送を行い、また細径単一光ファイバ５１によってレーザ誘起蛍光生成用およびエアロゾル量計測用の連続発振レーザの伝送を行い、さらに細径多芯光ファイバ５２によって蛍光伝送を行うようになっている。
【０１３４】
このような本実施形態の多バンドル光ファイバ４９を使用することにより、レーザ装置および光計測器側と、サンプリングセル側との間の光学経路を構成する光ファイバを１本化することができ、構成の簡素化が図れる。
【０１３５】
図１９は本発明の第１６実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成を示す図である。
【０１３６】
本実施形態では、エアロゾル９を含むガスとレーザ光５との反応領域である光反応点１２で発生する蛍光１３を集光させる蛍光集光手段を、サンプリングセル６の内部に設けた蛍光集光ミラー１４としたものである。この蛍光集光ミラー１４は凹面鏡状のもので、サンプリングセル６の内面に沿う半径を有し、光反応点１２の上側に位置してサンプリングセル６の内部空間の略半分程度を覆う構成とされている。この蛍光集光ミラー１４の形状は、図１に示した第１実施形態の説明で詳述したものと略同様であり、斜め上向きの底部の孔１４ａからレーザ光５およびエアロゾル９が下向きに通過し得るとともに、光反応点１２で発生した蛍光１３の反射による焦点が蛍光計測用光ファイバ１５の入力端子１５ａ位置となるように設定されている。
【０１３７】
このような構成により、蛍光検出系の有する立体角を増加させることができ、検出感度を増加させることが可能となる。
【０１３８】
図２０は本発明の第１７実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成を示す図である。
【０１３９】
本実施形態では、光反応点１２で発生する蛍光１３を集光させる蛍光集光手段を、サンプリングセル６の外部に設けた集光レンズ４５としたものである。この場合、集光レンズ４５に蛍光１３を十分集光させるために、サンプリングセル６の光学窓は広い面積を有する構成とすることが望ましい。そして、集光レンズ４５の外側の焦点位置に蛍光計測用光ファイバ１５の入力端子１５ａが配置されて、その光ファイバ１５内で蛍光が導光されるようになっている。
【０１４０】
このような構成によっても、蛍光検出系の有する立体角を増加させることができ、検出感度を増加させることが可能となる。本実施形態の場合は、蛍光集光手がサンプリングセル６の外部に配置されるので、構成が簡素化できる利点がある。
【０１４１】
図２１は本発明の第１８実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成を示す図である。
【０１４２】
本実施形態では、サンプリングセル６が箱形とされ、その上下壁部にエアロゾル９を含むガスの出入口１０，１１が設けられるとともに、上壁部および周壁部に複数の光学窓７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが設けられている。また、内部空間にはエアロゾルの流動方向と交差するように、例えば水平にフィルタ２２が設けられている。このように、本発明では前記の各実施形態の如くサンプリングセル６が球形のものに限らず、種々の形状で実施することができる。
【０１４３】
なお、箱形のサンプリングセル６の材質については、全体をレーザ光およびレーザ誘起蛍光の透過率が高い材質で構成し、また光を通す場所のみに光学ガラス窓を設置し、さらに光学ガラスで全体構成する等、種々の組み合わせが可能である。
【０１４４】
図２２は本発明の第１９実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成を示す図である。
【０１４５】
本実施形態では、サンプリングセル６が球形で上下に２分割可能な構成とされ、中間部のフランジ５４，５５がボルト５６によって着脱自在に締結されている。
【０１４６】
このような構成によれば、サンプリングセル６の保守のための内部クリーニング、部品交換等が容易に行える。
【０１４７】
図２３は本発明の第２０実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成を示す図である。
【０１４８】
本実施形態では、箱形のサンプリングセル６の内部に、焦点をサンプリングセル６の中央部に設定したレーザ光集光用レンズ５７と、それにより形成される光反応点１２の側方に位置するレーザ誘起蛍光集光用レンズ５８とが設置されている。また、レーザ光集光用レンズ５７と対向する部位には、プラズマ生成用レーザ光５を反射する凹面鏡等からなる多重反射ミラー５９が設置されている。
【０１４９】
このような構成によると、レーザ光５はレーザ光集光用レンズ５７による集光照射と、多重反射ミラー５９による反射とによって、２回にわたり集光領域に集光されることになる。したがって、少ないレーザ出力でも効果的にプラズマ発生を行うことができる。なお、反射ミラーを種々組合せることによって、いわゆる積分球の構造とすれば、さらに多くの反射回数を行うことが可能となり、一層効果的にプラズマ発生を行うことができる。
【０１５０】
図２４は本発明の第２１実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの応用例を示す図である。
【０１５１】
本実施形態では、サンプリングセル６が筒状に構成されており、このサンプリングセル６の周壁部に軸方向に沿って間隔的に複数のエアロゾル導入口１０が開口している。そして、サンプリングセル６の軸方向一端側にレーザ光５照射用の光学窓７ａが設けられ、この光学窓７ａの外側に設けたレーザ光集光手段としての複合レンズ６０によって、レーザ光５の集光用の焦点が調節可能とされ、焦点位置６１を各エアロゾル導入口１０の位置に移動できるようになっている。なお、エアロゾル出口１１および排気系６２は、エアロゾル導入口１０と対向する側壁側に設けられている。
【０１５２】
このような本実施形態の構成によれば、ライン状に配列されたエアロゾル導入口１０に対し、複合レンズ６０の調節によりレーザ光５の焦点位置６１を順次に変化させることで、１つのサンプリングセル６を使用して複数のサンプリング配管を介しての複数のエアロゾル分析が行えるようになる。
【０１５３】
図２５は本発明の第２２実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの応用例を示す横断面図であり、図２６は同縦断面図である。
【０１５４】
本実施形態では、サンプリングセル６が大径筒状とされており、エアロゾル導入口１０はサンプリングセル６の周壁部に周方向に沿って間隔的に複数、径方向に向って開口している。プラズマ生成用のレーザ光５は、サンプリングセル６の中心部下方から光ファイバ４の出力端子４ｂを介して照射されるようになっている。そして、サンプリングセル６内の中心位置に、レーザ光５の光路変更用の反射ミラーまたはプリズム６３が設けられ、図示しないステップモータで間欠回転動作するようになっている。そして、サンプリングセル６内に照射されたレーザ光５は、反射ミラーまたはプリズム６３によって、各エアロゾル導入口１０に向う中間点に設定された光反応点１２で集光されるようになっている。また、サンプリングセル６の下方には、光反応点１２で発生する蛍光１３を集光するための集光レンズ６４および計測用の光ファイバ１５の入力端子１５ａが配置している。
【０１５５】
このような構成によると、レーザ光５の焦点位置を変更する必要なく、レーザ光５の光路変更を反射ミラーまたはプリズム６３で行うことができる。そして、１つのサンプリングセル６で複数のサンプリング導入口１０からのエアロゾルの分析が可能となる。また、サンプリングセル６内の蛍光発生状況をＣＣＤカメラ等の画像処理装置にてモニターすれば、レーザ光５の焦点位置、プラズマ生成状況、蛍光発生位置等の情報が得られ、検出装置の稼働状況を常時モニタすることが可能となるばかりでなく、複数のサンプリング配管を具備するサンプリングセルにおいて蛍光の生成位置の画像データを得ることにより、どのサンプリング配管からのエアロゾルを測定したかの情報も容易に得ることができる。
【０１５６】
図２７は本発明の第２３実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルを使用しない例を示す縦断面図であり、図２６は同横断面図である。
【０１５７】
本実施形態では、エアロゾル９を含むガスが流動するサンプリング用の配管６５と、この配管６５に挿入され、その挿入端に集光レンズ６６を有するレーザ光５照射用の光ファイバ６７と、この光ファイバ６７を介してレーザ光５を配管６５内に照射する図示しないレーザ装置と、レーザ光５の照射によって配管６５内のエアロゾル９から生成される蛍光１３を受光する光ファイバ６８と、この光ファイバ６８を介して蛍光信号を入力し、エアロゾル９の構成元素およびその量を分析する図示しない光計測器とを備えた構成とされている。
【０１５８】
なお、本実施形態では、レーザ照射用の光ファイバ６７と蛍光受光用の光ファイバ６８とが、同一の光ファイバで構成されている。また、光ファイバ６７（６８）は、配管６５に対し、例えばスウェジロックのようなコネクタ６９により、集光レンズ６６と一体構造で挿入され、気密シールされている。
【０１５９】
このような構成によれば、レーザ光５の集光レンズ６６を先端に具備した光ファイバ６７を配管６５に挿入し、その配管６５内の焦点位置７０で生成したエアロゾル９からの蛍光１３を同一光ファイバ６７（６８）で伝送して、エアロゾル９を構成する元素およびその量を分析することができる。この場合、サンプリングセルおよびサンプリング配管等を設ける必要なく、流路（配管６５）に直接レーザ光５を入射させて蛍光検出が行える。
【０１６０】
なお、配管６５に光ファイバ６７と集光レンズ６６を一体構造にして挿入し、気密シールした構成によると、位置精度を高めることが可能で、メンテナンスも容易となる。また、本実施形態では光学窓等を設ける必要がない。
【０１６１】
図２９は本発明の第２４実施形態によるエアロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルを使用しない例を示す縦断面図であり、図３０は同横断面図である。
【０１６２】
本実施形態は、図２７および図２８に示した前記第２３実施形態と略同一構成であるが、レーザ照射用の光ファイバ６７と蛍光受光用の光ファイバ６８とが、異なる光ファイバで構成されている。即ち、蛍光受光用の光ファイバ６８は、配管６５の中心線回りで略９０°異なる位置で、レーザ照射用の光ファイバ６７の場合と同様に、スウェジロックのようなコネクタ７１により、集光レンズ７２と一体構造で挿入され、気密シールされている。他の構成は図２７および図２８に示した第２３実施形態のものと変らないから、図２９および図３０に、図２７および図２８と同一の符号を付して説明を省略する。
【０１６３】
このような本実施形態においても、前記第２３実施形態と同様に、レーザ光５の集光レンズ６６を先端に具備した光ファイバ６７を配管６５に挿入し、その配管６５内の焦点位置７０で生成したエアロゾル９からの蛍光１３を光ファイバ６８で伝送して、エアロゾル９を構成する元素およびその量を分析することができる等の効果が奏される。
【０１６４】
図３１は本発明の第２５実施形態によるエアロゾル分析装置の構成を示す図である。
【０１６５】
本実施形態は、前記の各実施形態で示したエアロゾル分析装置に加え、模擬エアロゾルを発生させる模擬エアロゾル生成器７３と、この模擬エアロゾル生成器７３で発生した模擬エアロゾル７４をサンプリングセル６（またはサンプリング用の配管）に導入する導入機構７５およびサンプリング配管７６とを備えた構成とされている。
【０１６６】
即ち、本実施形態では図３１に示すように、所定のエアゾル計測雰囲気７７からエアゾル９をサンプリング配管７６を介して導入する複数、例えば１対のサンプリングセル６が設けられている。これらのサンプリングセル６に対して、模擬エアロゾル生成器７３がサンプリング配管７６を介して模擬エアロゾル７４を導入することができるようになっている。この模擬エアロゾル７４の導入操作をサンプリング配管７６近傍の導入機構７５によって行うようになっている。
【０１６７】
このような構成の本実施形態によると、サンプリングセル６の較正用の模擬エアロゾル７４を必要に応じて導入することにより、例えば定期点検の際の較正が、サンプリングセル６（またはサンプリング用の配管）を設置した実際の配管等の現場で可能となるばかりでなく、サンプリングセル６がエアロゾル９を異常検知した際の確認を行うことも可能となる。
【０１６８】
なお、以上の実施形態において、サンプリングセル６の数が多くなると、分散化されたサンプリングセル６のどれからの蛍光信号であるかを認識する必要がある。いま、レーザ装置１とサンプリングセル６との間の距離をＬ１（ｍ）、サンプリングセル６と光計測器１７との距離をＬ２（ｍ）とすると、レーザ光がサンプリングセルに伝送され、さらに蛍光が光計測系に検出されるまでの時間Ｔは、
【数１】
Ｔ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／ｃ ；ｃは光速
となる。
【０１６９】
したがって、予めレーザ装置１とサンプリングセル６との光路長を評価しておけば、レーザ照射から蛍光測定までに要した時間から、光の伝搬距離を評価し、光路長との対応でどのサンプリングセルからの信号であるかを間違いなく評価することが可能となる。
【０１７０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、特に狭い空間領域におけるエアロゾル測定を、元素単位に分割するための大掛かりな機構を必要とすることなくコンパクトな構成で、また誤動作のおそれもなく、遠隔操作等によって容易に、かつ高精度で行うことができ、しかも耐用寿命の長期化も図れる等の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す構成図。
【図３】本発明の第３実施形態を示す構成図。
【図４】本発明の第４実施形態を示す構成図。
【図５】本発明の第５実施形態を示す構成図。
【図６】本発明の第６実施形態を示す構成図。
【図７】本発明の第７実施形態を示す構成図。
【図８】本発明の第８実施形態を示す構成図。
【図９】（ａ），（ｂ），（ｃ）は前記各実施形態におけるレーザ光の照射タイミングを示すグラフ。
【図１０】本発明の第９実施形態を示す構成図。
【図１１】図１０のＡ矢視図。
【図１２】本発明の第１０実施形態を示す構成図。
【図１３】図１２のＢ矢視図。
【図１４】本発明の第１１実施形態を示す構成図。
【図１５】本発明の第１２実施形態を示す構成図。
【図１６】本発明の第１３実施形態を示す構成図。
【図１７】本発明の第１４実施形態を示す構成図。
【図１８】本発明の第１５実施形態を示す構成図。
【図１９】本発明の第１６実施形態を示す構成図。
【図２０】本発明の第１７実施形態を示す構成図。
【図２１】本発明の第１８実施形態を示す構成図。
【図２２】本発明の第１９実施形態を示す構成図。
【図２３】本発明の第２０施形態を示す構成図。
【図２４】本発明の第２１実施形態を示す構成図。
【図２５】本発明の第２２実施形態を示す横断面図。
【図２６】本発明の第２２実施形態を示す縦断面図。
【図２７】本発明の第２３実施形態を示す縦断面図。
【図２８】本発明の第２３実施形態を示す横断面図。
【図２９】本発明の第２４実施形態を示す縦断面図。
【図３０】本発明の第２４実施形態を示す横断面図。
【図３１】本発明の第２５実施形態を示す構成図。
【符号の説明】
１ ブレークダウン生成用レーザ装置
３ 光分配器
４ 光ファイバ
４ａ 入力端子
４ｂ 出力端子
５ レーザ光
６，６ａ，６ｂ，６ｃ サンプリングセル
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ 光学窓
８ 集光レンズ
９ エアロゾル
１０ エアロゾル導入口
１１ エアロゾル排出口
１２ 光反応点
１３ 蛍光
１４ 蛍光集光ミラー
１５ 蛍光伝送用光ファイバ
１５ａ 入力端子
１５ｂ 出力端子
１６ 蛍光分配器
１７ 光計測器
１８ レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置
１９ レーザ光
２０ 光分配器
２１ 光ファイバ
２１ａ 入力端子
２１ｂ 出力端子
２２ フィルタ
２３ 放電電極
２４ 連続発振レーザ装置
２５ レーザ光
２６ ダイクロイックミラー（ハーフミラー）
２７ 光ファイバ
２７ａ 入力端子
２７ｂ 出力端子
２８ 光ファイバ
２８ａ 入力端子
２８ｂ 出力端子
２９ 光分配器
３０ コリメータレンズ
３１ ステップモータ
３２ ミラー
３３ 光ガイドパイプ
３４ 反射プリズム
３５ 反射ミラー
３６ 光分配器
３７ ミラー
３９ コリメータレンズ
４０ 高出力レーザ装置
４１ 低出力レーザ装置
４２ ダイクロイックミラー
４３ 光ファイバ
４４ ダイクロイックミラー
４５ 光出力端子
４６ 低出力端子
４７ 蛍光入力用端子
４８ 光ガイドパイプ
４９ 多バンドル光ファイバ
５０ 太径単一光ファイバ
５１ 細径単一光ファイバ
５２ 細径多芯光ファイバ
５４，５５ フランジ
５６ ボルト５６
５７ レーザ光集光用レンズ
５８ レーザ誘起蛍光集光用レンズ
５９ 多重反射ミラー
６０ 複合レンズ
６１ 焦点位置
６２ 排気系
６３ プリズム
６４ 集光レンズ
６５ 配管
６６ 集光レンズ
６７ 光ファイバ
６８ ファイバ
６９ コネクタ
７０ 焦点位置
７３ 模擬エアロゾル生成器
７４ 模擬エアロゾル
７５ 導入機構
７６ サンプリング配管
７７ エアゾル計測雰囲気
Claims (18)
- エアロゾルを含むガスの出入口および複数の光学窓を有するとともに内部に反応領域を設定したサンプリングセルと、前記ガス中のエアロゾルをプラズマ化させるためのレーザ光を発するブレークダウン用レーザ装置と、このレーザ装置で発したレーザ光を前記サンプリングセルに前記光学窓から導入して前記反応領域に集光させるレーザ光集光手段と、前記反応領域で集光したレーザ光によるエアロゾルのブレークダウンによって発生する蛍光を他の光学窓の部位に集光させる蛍光集光手段と、集光した蛍光を前記他の光学窓から入力してその蛍光の波長分別により前記エアロゾルの構成元素の分析を行う光計測器とを備えたことを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１記載のエアロゾル分析装置において、エアロゾルをプラズマ化させるためのブレークダウン用レーザ装置に加え、プラズマ化されるエアロゾルの構成元素のうち分析対象とする元素に対応する特定の励起波長を有するレーザ光を発して特定元素の励起により蛍光を生じさせるレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置と、このレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置から発するレーザ誘起蛍光生成用レーザ光を光学窓を介してサンプリングセル内の反応領域に照射する照射手段とを備え、光計測器は、レーザ誘起蛍光強度を波長分別することによりエアロゾルの存在量を測定する機能を有することを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセル内のレーザ光照射位置にエアロゾルを捕獲するフィルタを設置し、光計測器は、前記フィルタの表面に付着するエアロゾルへのレーザ光照射によって生じるアブレーションプラズマからの蛍光を波長分別してエアロゾルを構成する元素およびその量を分析する機能を有することを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項２記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセル内のレーザ誘起蛍光生成用レーザ光の照射位置にエアロゾルを捕獲するフィルタを設置し、光計測器は、前記フィルタの表面に付着するエアロゾルのレーザ誘起蛍光強度を波長分別することによりエアロゾルの存在量を測定する機能を有することを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１記載のエアロゾル分析装置に加え、連続発振レーザ装置と、この連続発振レーザ装置から発するレーザ光を光学窓を介してサンプリングセル内の反応領域に照射する照射手段とを備え、光計測器は、前記サンプリングセル内における前記反応領域での連続発振レーザ光の散乱強度に基づいてエアロゾルの大きさと数とを測定する機能を有することを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項５記載のエアロゾル分析装置であって、連続発振レーザ装置とレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置とを共に有するものにおいて、前記連続発振レーザ装置で発するレーザ光と前記レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置で発するレーザ光とをサンプリングセルへの導光経路途中で同軸合成する手段と、合成後のレーザ光を前記サンプリングセルに導光して反応領域に照射する照射手段とを備えたことを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１記載のエアロゾル分析装置において、レーザ装置は１系統設置するとともに、サンプリングセルは複数設置し、前記１系統のレーザ装置から発するレーザ光を前記複数のサンプリングセルへ導光する手段として、光分配器と、この光分配器から各サンプリングセルへの光学経路を構成する複数の光ファイバまたは光ガイドパイプとを備えたことを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項７記載のエアロゾル分析装置において、光分配器は、レーザ光を所定の光ファイバまたは光ガイドパイプの方向に切換えるプリズムまたはミラーと、このプリズムまたはミラーの切換え動作を行うステップモータとを備えたことを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項７記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセルの設置数よりも光計測器の設置数を少なくし、そのサンプリングセルから光計測器に蛍光を導く光学経路を集合させ、その集合した蛍光を前記光計測器で集中計測するようにしたことを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項９記載のエアロゾル分析装置において、複数のサンプリングセルからの蛍光を光計測器に導く光学経路は、複数の光ファイバと、この複数の光ファイバからの蛍光を一点に集光し得る光分配器と、集光した蛍光を導光する１系統の光ファイバまたは光ガイドパイプとを有することを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１記載のエアロゾル分析装置において、レーザ装置からサンプリングセルまでレーザ光を導く光学経路と、前記サンプリングセルから光計測器まで蛍光を導く光学経路とを、共通な光学経路として構成し、その共通な光学経路は、レーザ光と蛍光とを分ける手段としてダイクロイックミラーを有することを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１記載のエアロゾル分析装置において、光学経路を多バンドル光ファイバで構成し、その多バンドル光ファイバ一部の一部をレーザ装置からサンプリングセルまでレーザ光を導く光学経路として適用し、残りの部分を前記サンプリングセルから光計測器まで蛍光を導く光学経路として適用したことを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセル内の反応領域で発生する蛍光を集光させる蛍光集光手段は、そのサンプリングセルの内部に設けた反射装置または外部に設けたレンズ装置であることを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１記載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセルはエアロゾルを含むガスを導入するための複数のエアロゾル導入口を間隔をあけて有するものであり、レーザ光集光手段はレーザ光集光位置を前記の各エアロゾル導入口の位置に移動する集光位置調整機能を有することを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１４記載のエアロゾル分析装置において、集光位置調整機能を有するレーザ光集光手段は、照射するレーザ光の焦点を各サンプリング配管のエアロゾル導入口の位置に順次調節することが可能な複合レンズ装置であることを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１４記載のエアロゾル分析装置において、集光位置調整機能を有するレーザ光集光手段は、照射するレーザ光の向きを各サンプリング配管のエアロゾル導入口の位置に順次調節することが可能な回転式の反射ミラーまたはプリズムであることを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１記載のエアロゾル分析装置において、蛍光発生状況をモニタする画像処理装置と、レーザ光の焦点位置、プラズマ生成状況、蛍光発生位置の情報をモニタする手段とを備えたことを特徴とするエアロゾル分析装置。
- 請求項１記載のエアロゾル分析装置に加え、模擬エアロゾルを発生させる模擬エアロゾル生成器と、この模擬エアロゾル生成器で発生した模擬エアロゾルをサンプリングセルまたはサンプリング用の配管に導入する導入機構とを備えたことを特徴とするエアロゾル分析装置。
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